基于SiC/Si高压LDMOS新结构研究与设计

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高压LDMOS(Lateral Double-diffused MOSFET)器件是电力电子模块和电力电子系统的核心器件,具有高耐压、大功率、大电流、易集成、与CMOS工艺兼容等特性,广泛用作功率集成电路中的开关器件,其重点关注的性能指标是击穿电压和比导通电阻。Si基功率MOS器件是目前商业化的主流半导体功率器件,而其比导通电阻与击穿电压之间存在2.5次方的矛盾关系制约了Si基功率器件性能的完全发挥,其发展受到了“硅极限”的限制。SiC作为第三代宽禁带半导体的主要代表,由于具备禁带宽度大、临界击穿电场高、抗辐射能力强、热导率高等优点而广受关注,SiC基MOS器件具有比Si基MOS更好的特性,但由于材料的特殊性,传统的硅工艺并不能完全适用于SiC器件的制备,而且SiC MOS器件制造工艺尚有很多还不稳定的工艺关键点。本文为解决半导体功率器件面临的这些问题,为了获得高性能的半导体功率器件(耐压高,功耗低,电流大),在SiC/Si异质结研究的基础上,提出了以下三种高压LDMOS新结构:(1)一种具有倒L形场板SiC/Si异质结LDMOS新结构,通过引入倒L形场板和阶梯形氧化层,调节器件的横向电场和纵向电场分布,利用SiC材料的高临界击穿场、高热导率以及成熟的硅工艺来提高器件的性能指标,改善击穿电压(Breakdown voltage,BV)和比导通电阻(Specific on-resistance,Ron,sp)之间的折衷关系。模拟结果表明,与常规的Si LDMOS和SiC LDMOS相比,该器件的BV分别从226V和720V提高到992V,同时保持了27.62mΩ?cm2的低比导通电阻Ron,sp。(2)一种具有沟道积累层的槽栅SiC/Si异质结LDMOS器件新结构,通过在漂移区中引入一层高浓度的沟道积累层来提供低阻载流子输运路径,该器件结合SiC材料和Si材料各自的优点,进一步实现了高击穿电压BV和低比导通电阻Ron,sp。模拟结果表明,该器件实现1060V的高击穿电压BV和8.9 mΩ?cm2的低比导通电阻Ron,sp,与常规的Si LDMOS和SiC LDMOS相比,该器件的BV分别提高了832V和339V。(3)一种具有半绝缘碳化硅埋层的薄漂移区SI-SiC/Si LDMOS器件,通过采用阶梯形半绝缘(Semi-Insulating,SI)SiC材料来代替SOI(Silicon-On-Insulator)中的Si O2层,利用碳化硅材料的高热导率和高临界击穿电场,实现了高耐压并有效地解决了SOI基LDMOS器件的散热问题。模拟结果表明,该器件实现了同尺寸结构的200V级别耐压,获得了236V的击穿电压BV和4.0mΩ?cm2的比导通电阻Ron,sp,与常规SOI基结构和Si基结构相比,比导通电阻Ron,sp分别降低了30.6%和54.4%,器件的FOM值分别提高了87.8%和157.4%,其表面温度分别降低了118K和15K,具有卓越的散热效果。在考虑散热性能和功耗问题的大功率应用领域,该器件具有明显的优势。
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