基于虚拟缓变结的硅基功率器件场板耐压统一理论及应用基础研究

Field Plate techniques are commonly used in curbing the field crowding induced by junction terminals. Yet, due to the unclear physical nature of the breakdown mechanism in field plate lateral power devices, no practical solutions have been proposed to improve the device breakdown characteristic via field plate techniques. Aiming to such predicament, innovative researches focus on the breakdown theory, optimization methodology, and device design are to be explored in this project. 1). A Virtual Graded Junction breakdown theory for Field Plate devices is proposed to unveil the physical nature of the field plate effect and its induced 2-D coupling effects for the first time. Using which, the mechanism of field plate effect on the forward- and reverse- characteristics of the lateral power device can be depicted, and further providing an effective tool for designing and optimizing devices. 2). An optimization solution to improve device performance by reducing the effective breakdown concentration is proposed. Accordingly, the electric field crowding induced by 2-D coupling effects can be curbed significantly. 2). A novel VLD device with adaptive effective breakdown concentration profile is proposed to diminish the field crowding within the drift region while reducing the on-resistance. The CMOS compatible process is to be applied to fabricate and test the novel device structures. So that, the BFOM value can be improved by more than 50%. This project simplifies the breakdown theory of lateral power device from 2-D to 1-D. From the perspective of optimization, this project provides guidance for the proper setting of the field plate. Such a technique also ushered in a new solution to solve the field crowding effect thoroughly. Therefore, this project has important value both in theoretical significations and in application potential.

在硅基横向功率器件中，场板技术被广泛用于抑制结终端处的电场集中现象，然而场板功率器件耐压机制不明确，导致目前利用场板提高器件耐压方面尚无好的解决方案。针对该问题，本项目从耐压理论、优化技术和器件结构三方面开展创新研究。1）提出虚拟缓变结场板耐压理论，揭示功率器件在场板效应及二维耦合效应影响下反向耐压特性和正向导通特性的物理机理，为器件优化设计提供理论依据。2）提出通过降低有效耐压浓度实现性能提升的优化技术，抑制耦合效应导致的电场集中现象。3）提出自适应有效耐压浓度分布的变掺杂漂移区器件结构，在消除漂移区电场集中现象的同时改善器件导通性能，采用CMOS兼容工艺开展新器件结构研制和测试，把BFOM优值提高50%以上。本项目在理论上把横向功率器件耐压理论由二维简化为一维，在优化上为合理设置场板结构和类型提供了指导，在技术上为抑制器件电场集中效应开辟了途径，具有重要的理论意义和应用价值。

大功率单片电源管理芯片中，集成功率器件是芯片的“心脏”，集成功率器件的设计和集成技术是大功率单片电源管理芯片设计和制造的核心技术。和电路中的其他器件相比，集成功率器件工作在更高的电压和更大的电流条件下，恶劣的工作环境对器件设计提出了严峻挑战。因此，如何实现高耐压、低电阻、低成本的功率场效应晶体管一直以来都是研究人员面临的重要挑战。长期以来，为了更好地解决集成功率器件中击穿电压和导通电阻的矛盾关系，学术界和产业界投入了巨大的努力。近五年来，申请人瞄准这一核心问题，从耐压理论创新、器件结构创新和器件类型创新三个方面，开展深入研究，首先从硅基/SOI基LDMOS横向功率器件出发，提出了基于等效浓度的横向功率器件一维耐压理论、具有自适应等效浓度分布的横向功率器件新结构，从而在不显著增加实现了器件性能的大幅度提升。进一步将该技术推广至GaN HEMT、OFET器件等基于第三代半导体材料、有机半导体材料的新型功率器件中，从而解释了器件的耐压机理并实现了器件性能的显著提升。主要包括：.①.提出基于等效浓度的横向功率器件场板技术一维耐压理论。该理论在保持理论简单性、明确性的同时达成精确性和通用性。本理论通过使用一维理论说明二维问题，可以定量表征横向功率器件三维/二维效应对场势分布特性、耐压特性的影响，为理解结终端耐压技术和其效应的物理本质提供了新解释，为横向功率器件的耐压机制定性/定量分析及场板的优化设计提供了新思路。.②.提出一种通过降低等效浓度实现性能提升的优化技术。该优化技术直接根据一维Poisson方程进行分析给出统一的广义的RESURF判据、导通电阻模型。该优化技术充分利用结终端效应与器件二维效应之间的耦合作用，对有效耐压浓度断崖处进行补偿，从而使横向功率器件实现最优正向和反向特性，是半导体功率器件优化技术的补充和扩展。.③.提出一种自适应等效浓度分布的横向功率器件新结构。该结构是与结终端效应影响下漂移区等效浓度分布相适应的一种新型漂移区掺杂分布。该技术可以彻底消除漂移区内的电场集中效应，实现均匀表面电场，获得理想的耐压特性。与此同时，该技术在当前横向变掺杂工艺基础上无需增加任何工艺步骤，通过结构和掺杂分布的巧妙设计而实现器件耐压性能提升。