打破硅极限超低导通电阻功率器件关键技术研究

功率半导体在国民经济各领域和国防工业中无所不在，我国当前发展功率半导体的首要意义在于节约电能，并促使实现功率集成系统为引发第二次电子工业革命做出贡献。本项目针对目前功率半导体发展中最主要的高频MOS类器件，以优化器件耐压与导通损耗为主要目标，提出了具有自主产权的新型硅基功率器件耐压层。新结构利用新的耐压机理实现超低的比导通电阻，打破了硅的极限关系。体现出三大优点：多数载流子积累效应；电场调制效应；折叠硅反型载流子和漂移区积累载流子成倍增加。本项目首先建立具有折叠硅表面的新型功率器件耐压模型，然后通过设计、模拟分析、流片实验和封装获得具有自主知识产权的低压大电流新型LDMOS功率器件，最后分析验证新型耐压层的耐压模型，用于满足实际应用对功率半导体器件提出的新要求，包括低功耗、高可靠性、高速度、小尺寸等。本项目的完成对于提高我国目前MOS类功率半导体研究和应用滞后问题具有创新意义。

本项目以申请者提出的优化横向功率器件特性的REBULF和ENDIF两种新技术为基础，分析了具有折叠硅表面新型LDMOS器件特性，获得了新型器件击穿电压与比导通电阻新的关系，新结构将优化横向功率器件的三种方法有机结合，通过电场调制效应、多数载流子积累效应和折叠硅表面，在一定击穿电压条件下，使得横向功率器件的比导通电阻突破了传统的硅极限关系，为降低功率器件导通损耗提供了新的技术。.本项目将优化硅基MOS类功率器件击穿电压与比导通电阻的方法成功应用于AlGaN/GaN HEMTs器件设计，共提出并设计了四种新器件结构。新型RESURF AlGaN/GaN HEMTs器件结构是申请者针对AlGaN/GaN HEMTs器件特殊的耐压机理，提出的一种降低表面电场，提高击穿电压的新型RESURF AlGaN/GaN HEMTs结构。通过电场和击穿特性分析获得，新结构使击穿电压从传统结构的257V提高到550 V。成果发表于SCI检索期刊《中国科学：信息科学》2012年第42卷第6期。具有部分Si注入新型AlGaN/GaN HEMTs器件结构使击穿电压从常规结构的296V提高到400V，成果发表于SCI检索期刊《Micro & Nano Letters》2012年第7卷第1期和《Chin. Phys. B》2012年第21卷第5期。F离子注入新型AlGaN/GaN HEMTs器件结构通过减小GaN缓冲层体泄漏电流，提高器件击穿电压，成果发表于SCI检索期刊《物理学报》2012年第61卷第22期。新型阶梯AlGaN/GaN HEMTs结构利用AlGaN/GaN异质结形成的2DEG浓度随外延AlGaN层厚度降低而减小的规律，通过减薄靠近栅边缘外延的AlGaN层，使沟道2DEG浓度分区，使阶梯AlGaN交界出现新的电场峰，有效降低了栅边缘的高峰电场，优化了AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布，使器件击穿电压从传统结构的446V，提高到新结构的640V。成果发表于SCI检索期刊《物理学报》2014年第63卷第5期。在N型缓冲层Super Junction LDMOS结构基础上，首次提出了一种具有REBULF效应新型REBULF SJ-LDMOS结构。成果发表于国际顶级期刊IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS（VOL. 35, NO. 11, 2014）。