功率超結器件

章文通
電子科技大學副教授，從事功率半導體器件與功率集成技術方向研究。以第一作者身份在 IEEE EDL 和 IEEE TED 發表論文19篇，其中2次入選 IEEE EDL 封面 Highlight。授權國家發明專利34項，曾獲國防技術發明獎二等獎、中國產學研合作創新成果獎二等獎及電子科技大學學術新人獎等榮譽。

張波
電子科技大學教授、博士生導師，電子科技大學集成電路研究中心主任、功率集成技術實驗室主任。長期致力於功率半導體技術研究，擔任 IEEE TED 功率器件領域編輯。已發表學術論文600餘篇，授權國家發明專利200餘項，獲得國家科學技術進步獎二等獎等國家級、省部級獎項18項。

李肇基
電子科技大學教授、博士生導師，曾任電子科技大學微電子研究所所長、四川省電力電子學會副理事長。從事功率半導體器件與集成電路研究近40年，發表學術論文200餘篇，授權國家發明專利40餘項，曾獲國家科學技術進步獎二等獎、三等獎等榮譽。

第1章　功率半導體器件基礎 1

1.1 概述 1

1.2 雪崩擊穿 3

1.2.1 碰撞電離率與Ec增強 3

1.2.2 雪崩擊穿的分析方法 8

1.3 結終端技術與RESURF技術 9

1.3.1 結終端技術 9

1.3.2 RESURF技術 20

1.4 功率MOS晶體管 22

1.5 IGBT 24

1.6 寬禁帶功率半導體器件 25

參考文獻 27

第2章 超結器件耐壓原理與電場分佈 30

2.1 超結器件基本結構 30

2.2 電荷場調制 32

2.2.1 電荷場分析 32

2.2.2 電荷場的普適性 34

2.3 超結耐壓層電場分佈 35

2.3.1 超結器件耐壓層電場概述 36

2.3.2 電場分佈解析 37

2.3.3 特徵厚度與電荷場 47

2.4 超結電場的二維性 49

2.4.1 超結電荷場的二維性 49

2.4.2 超結矢量場與電場三維分佈 53

2.4.3 等勢關系 54

2.5 超結器件全域優化與設計 57

2.5.1 功率半導體器件雪崩擊穿路徑 58

2.5.2 黃金分割優化法 59

2.5.3 神經網絡預測 59

參考文獻 62

第3章 縱向超結器件 63

3.1 超結器件NFD模式 63

3.1.1 VB歸一化系數與電荷場歸一化因子 64

3.1.2 NFD模式 66

3.1.3 Ron,min歸一化判斷依據 69

3.1.4 縱向超結器件設計 71

3.1.5 超結器件Ec增強 78

3.2 縱向超結器件Ron,min理論 79

3.2.1 Ron,min物理與解析基礎 79

3.2.2 縱向超結R-阱模型 83

3.2.3 縱向超結Ron,min優化法 87

3.2.4 全域Ron,sp和電荷場歸一化因子與Ron,sp-VB關系 91

3.2.5 超結尺寸極限與3-D超結Ron,min 98

3.3 縱向半超結器件Ron,min優化 104

3.3.1 縱向半超結二維勢、場解析 105

3.3.2 縱向半超結Ron,min優化 108

3.4 縱向超結器件電流特性與安全工作區 114

3.4.1 電流特性 114

3.4.2 安全工作區 115

3.5 縱向超結器件瞬態特性 120

3.6 縱向超結器件實驗 125

3.7　SiC超結器件 133

3.7.1 SiC一般特性 133

3.7.2 SiC超結Ron,min 137

參考文獻 140

第4章 橫向超結器件 144

4.1 橫向超結器件SAD效應 144

4.2 ES模型 145

4.2.1 ES模型簡介 145

4.2.2 SAD效應與理想襯底條件 149

4.2.3 CCL摻雜分佈 152

4.3 橫向超結器件Ron,min優化 158

4.3.1 橫向超結與縱向超結器件Ron,min優化比較 158

4.3.2 橫向超結N、Ld設計 160

4.3.3 橫向超結Ron,sp-VB關系 163

4.4 橫向超結器件設計 165

4.5 橫向超結器件實驗 172

4.5.1 體矽襯底的橫向單元胞超結器件實驗 173

4.5.2 SOI襯底的SJ/ENDIF橫向超結器件實驗 176

4.5.3 基於歸一化導電優化的半超結實驗 182

4.5.4 超結Ron,sp∝ 關系初步實驗 186

參考文獻 189

第5章 典型超結器件結構 193

5.1 縱向超結器件結構 193

5.1.1 超結器件典型製造工藝 193

5.1.2 縱向超結器件新結構 196

5.2 橫向超結器件結構 197

5.2.1 抑制SAD效應的典型方法 197

5.2.2 橫向超結器件新結構 198

5.3 超結IGBT器件 200

5.3.1 準單極異位輸運模式 201

5.3.2 全域電導調制型超結IGBT 205

5.4 寬禁帶超結器件 206

5.4.1 SiC超結器件結構 207

5.4.2 GaN超結器件結構 208

5.5 高K耐壓層及器件新結構 209

5.5.1 高K耐壓層機理 210

5.5.2 高K器件新結構 211

參考文獻 213

第6章 勻場器件 222

6.1 勻場耐壓層 222

6.1.1 錶面與體內MIS調制 222

6.1.2 新型勻場耐壓層勻場機制 223

6.2 勻場機理與模型 224

6.2.1 電荷自平衡 224

6.2.2 周期場調制模型 227

6.3 勻場器件 233

6.3.1 具有勻場耐壓層的LDMOS器件 233

6.3.2 互補耗盡機理與C-HOF器件 236

6.3.3 三維體內曲率效應與Trench-stop器件 241

6.4 勻場介質終端技術 242

6.5 勻場耐壓層實驗 247

6.5.1 勻場耐壓層實現關鍵工藝 247

6.5.2 勻場耐壓層工藝模擬 249

6.6 勻場器件實驗 251

6.6.1 勻場LDMOS器件實驗 251

6.6.2 C-HOF LDMOS器件實驗 254

6.6.3 具有漏端耗盡截止槽的C-HOF LDMOS器件實驗 257

6.6.4 介質終端技術實驗 259

6.7 勻場耐壓層應用探索 261

6.7.1 SOI器件 261

6.7.2 高壓互連技術與體內曲率結擴展技術 265

6.8 非完全式雪崩擊穿原理與more silicon發展 266

參考文獻 274

附錄1 功率半導體器件基本圖表 276

1.1 功率半導體材料性質 276

1.2 給定耐壓層長度L下的矽的理想擊穿電壓VB 276

1.3 給定耐壓層長度L下的理想平均電場Ep0 277

1.4 給定耗盡距離ts下的最高摻雜濃度Nmax與優化摻雜濃度N的範圍 277

1.5 給定耗盡距離t下的最高摻雜劑量Dmax與優化摻雜劑量D的範圍 277

1.6 給定摻雜濃度N下的比導通電阻Ron,sp 279

附錄2 超結傅裏葉級數法解的化簡與電荷場歸一化 280

附錄3 神經網絡實例 287

附錄4 R-阱與Ron,min優化算法 289

附錄5 橫向超結耐壓層三維勢、場傅裏葉級數法 290

附錄6 本書功率器件發展樹Power tree 294