半超结JBS反向恢复软度特性研究

为提高常见开关器件JBS二极管的软度特性,减小其自身电压尖峰、射频干扰和电磁干扰的发生,对JBS器件P^(+)区结深进行优化调整,利用Silvaco软件对器件关断过程、反向恢复等影响进行仿真研究。在仿真中构建半超结JBS二极管结构模型,利用器件-电路混合仿真调用此结构模型并改变P^(+)区结深参数,得到不同P^(+)区结深的反向恢复特性曲线,并以此为依据分析半超结JBS二极管中P^(+)区结深对反向恢复软度特性的影响。通过仿真研究,以半超结JBS二极管有效缓解传统JBS反向恢复时间长和超级结JBS二极管反向恢复硬度大的矛盾。

新型高压半超结功率MOSFET的优化设计

给出了一个完整的半超结MOS的设计方法,包括超结部分浓度的确定,电压支持层部分的深度和浓度的优化。借助二维器件仿真讨论了在原胞尺寸不变的情况下导通电阻和击穿电压的折中关系的优化方法。通过模拟得到了一个750 V,特征导通电阻为32 mΩ.cm2的半超结结构。结果表明在不增加外延次数,工艺成本和难度的情况下,深宽比为5半超结MOS的特征导通电阻比VDMOS的下降了64%,比超结MOS的下降了8%。

半超结VDMOS的研究

为了改善功率器件导通电阻与击穿电压的折中关系,提出了半超结理论及其设计方法。在原胞部分研究了各个器件结构参数的深度和浓度的优化,在终端部分提出了一种平面结终端技术;提出了实现半超结VDMOS的工艺实现方法,并利用2-D仿真软件Medici进行仿真验证。结果表明,利用该优化方案,可以得到特征导通电阻为40 mΩ.cm2的600 V半超结VDMOS器件。

一款VDMOS半超结元胞结构的设计

设计了一款VDMOS器件的元胞结构,采用半超结结构模型.传统VDMOS结构的导通电阻会随着击穿电压的增长而增长,而半超结结构可以缓和两者之间的矛盾.通过调节工艺条件,经过三次外延注入生长形成P柱,并采用增大外延层浓度和改善电荷平衡的方式,来达到减小元胞结构的特征导通电阻和提高击穿电压的目的.最终实现了1 005V的耐压,特征导通电阻102.91mΩ*cm2,栅漏电容5.65pF/cm2,阈值电压3.45V的元胞结构,降低了超结结构的工艺难度,并获得较优的性能.

4H-SiC基半超结VDMOSFET单粒子烧毁效应

4H-SiC半超结垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管(VDMOSFET)由于N型底部辅助层(NBAL)的引入,可以采用相对较小深宽比的超结结构,从而降低了制造工艺的成本与难度。利用器件仿真器Atlas建立了器件的二维仿真结构,对4H-SiC超结和半超结VDMOSFET的单粒子烧毁(SEB)效应进行了对比,随后研究了NBAL浓度变化对4H-SiC半超结VDMOSFET抗SEB能力的影响。结果表明,在相同漏电压下,NBAL导致半超结VDMOSFET在N-漂移区/N+衬底结处的电场峰值比超结VDMOSFET的电场峰值降低了27%。超结VDMOSFET的SEB阈值电压(VSEB)为920V,半超结VDMOSFET的VSEB为1 010V,半超结VDMOSFET的抗SEB能力提升了10%。随着NBAL浓度的逐渐增加,半超结VDMOSFET的抗SEB能力先增强后减弱,存在一个最优的NBAL浓度使其抗SEB能力最好。

新型半超结逆导IGBT的导通机理分析

本文对半超结逆导IGBT这一新型结构的导通机理进行分析。通过SilvacoTCAD软件仿真验证,半超结RC-IGBT的耐压能力、正反向导通能力都明显优于传统RC-IGBT。详细分析了电荷不平衡效应对器件耐压能力的影响,并给出了N/P-柱掺杂浓度合理的取值范围。此外提出由于半超结RC-IGBT器件内寄生PNP三极管与传统RC-IGBT寄生三极管大不相同,电导调制效应主要发生在N/P-柱以下的漂移区内,也正是因为其特殊的导通机理使得半超结技术对解决负阻效应具有重要意义。

非对称阳极结构的半超结功率二极管

通过将功率二极管改变为非对称阳极结构及优化超结深宽比等参数来提升器件的性能。分析了其动态特性和静态特性变化规律。结果表明深宽比由1.3增大到6.6时,反向恢复峰值电流减小10%左右;在适当调整阳极区掺杂浓度后,其反向恢复时间缩短30%,反向恢复峰值电流减小20%。在同等工艺参数下,击穿电压提升约60%。此外,动态特性和击穿电压的提升对二极管的正向导通特性几乎没有影响。

具有三明治集电极结构的新型无电压回跳半超结RC-IGBT

提出了一种具有三明治集电极结构的半超结RC-IGBT(SSS-RC-IGBT),该结构通过在N+buffer层和P+/N+集电区之间引入高阻N-layer,增大了集电极短路电阻。通过引入集电极侧的半超结,减小了漂移区的电阻,从而消除了器件的电压回跳现象。Sentaurus仿真结果表明,本结构中N/P柱的柱深为70μm,N/P柱的掺杂浓度为3×10^15 cm^-3。高阻N-layer的厚度为5μm,掺杂浓度为5×10^13cm^-3时,器件不会发生电压回跳现象。由于所提出的器件能够完全开启且具有更高的注入效率,器件正向导通压降降低了9.7%。在正向导通电流密度为100 A/cm^2的条件下进行关断时,器件的关断损耗降低了30.6%。同时,器件具有更优的Vce-Eoff折中特性和反向恢复特性。

半超结SBD的研究

由于导通电阻与击穿电压之间的矛盾关系,肖特基二极管(SBD)不能够应用于高压功率领域。为了改善导通电阻与击穿电压之间的关系,提出了半超结理论及其设计方法。通过对器件结构参数进行计算和优化,构成了一种实现半超结SBD的工艺方法,并利用Silvaco TCAD软件进行仿真验证。结果表明,利用该优化方案,可以得到击穿电压为500V,导通电阻为37mΩ·cm2的半超结SBD器件。

半超结VDMOS器件设计与应用

本文主要针对半超结VDMOS器件的设计和应用进行简要讨论分析,并通过超结器件的工作原理缺点以及使用的改进方法,对其进行理论性质方面的应用探究。而在这种新型器件的使用中,结构特征与工作原理,就代表了全部的结构应用区间。对于新型器件结构在日常使用中的安全问题,需要结合元器件的制造需求,以及市场未来的发展需求,进行综合分析。

含GaN/AlGaN双异质结源极和半超结的增强型垂直HFET的静态特性

GaN/AlGaN异质结垂直型场效应晶体管(HFET)可用作大功率开关等,但性能受限于击穿电压(V_(B))与比导通电阻(R_(on,sp))的折衷,值得深入研发。本文构建了一种包含GaN/Al_(x1(x2))Ga_(1-x1(x2))N双异质结源极和(n)GaN/(p_(1(2)))Al_(x3(x4))Ga_(1-x3(x4))N/(n)GaN叠层异质半超结的增强型垂直HFET,利用Silvaco TCAD软件模拟了Al组份(x_(1),x_(2),x_(3),x_(4))、(p)AlGaN柱宽度、电流阻挡层浓度对器件静态性能的影响。结果表明,双异质结源极能产生更多的二维电子气(2DEG),改变x_(1)及x_(2)能提高器件的漏极电流密度(J_(DS))并降低R_(on,sp)。调节x_(3)及x_(4)可优化器件的载流子通道,降低R_(on,sp);改善漂移区的电场分布,提升V_(B)。相较于非均匀掺杂同质全超结垂直型HFET[DOI:10.1088/1674-1056/27/4/047305],本器件的R_(on,sp)降低39.33%,功率品质因数(FOM_(BR))提升46.15%,可为设计高性能HFET提供新方案。

半超结SiGe高压快速软恢复开关二极管

将SiGe材料的优异性能与半超结结构的优势相结合,提出了一种半超结SiGe功率二极管,可适应高频化电力电子电路对功率二极管低通态压降、高击穿电压、较小的反向漏电流以及快而软的反向恢复特性的要求,显著提高器件的各种特性.

电荷失配对SiC半超结垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管击穿电压的影响

Si C半超结垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管(VDMOSFET)相对于常规VDMOSFET在相同导通电阻下具有更大击穿电压.在N型外延层上进行离子注入形成半超结结构中的P柱是制造Si C半超结VDMOSFET的关键工艺.本文通过二维数值仿真研究了离子注入导致的电荷失配对4H-Si C超结和半超结VDMOSFET击穿电压的影响,在电荷失配程度为30%时出现半超结VDMOSFET的最大击穿电压.在本文的器件参数下,P柱浓度偏差导致击穿电压降低15%时,半超结VDMOSFET柱区浓度偏差范围相对于超结VDMOSFET可提高69.5%,这意味着半超结VDMOSFET对柱区离子注入的控制要求更低,工艺制造难度更低.

超级结电场分布仿真分析

为详细研究超级结体内独特的二维电场分布,通过Silvaco软件建立半导体超级结器件基本结构(超级结PiN),展开直观的定量仿真分析。在仿真中对漏极施加正向电压,得到电场分布图和包括电场峰值、谷值在内的多个特征点。通过连接特征点得到四类特征电场线,沿着各个特征电场线观察其电场变化,验证纵向电荷场对横向电荷场的调制作用。对传统超级结模型进行优化,添加N-缓冲层仿真出半超结P(或N)漂移区中心电场分布,并与传统结构进行对比。