【摘 要】
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常规功率MOS器件受到“硅极限”的限制,其很难应用于高耐压、大电流领域中。尽管超结(SJ)结构器件打破了比导通电阻Ron,sp与击穿电压BV之间“硅极限”的限制,但是其耐压性能受到电荷平衡条件的限制。虽然高k绝缘介质(Hk)结构器件可以克服电荷非平衡条件的影响,但是需要介电常数足够大的高k绝缘介质材料,才能使其性能接近于SJ结构器件。因此,为了提升器件的性能,本文研究了一种新型Hk结构器件和一种新
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常规功率MOS器件受到“硅极限”的限制,其很难应用于高耐压、大电流领域中。尽管超结(SJ)结构器件打破了比导通电阻Ron,sp与击穿电压BV之间“硅极限”的限制,但是其耐压性能受到电荷平衡条件的限制。虽然高k绝缘介质(Hk)结构器件可以克服电荷非平衡条件的影响,但是需要介电常数足够大的高k绝缘介质材料,才能使其性能接近于SJ结构器件。因此,为了提升器件的性能,本文研究了一种新型Hk结构器件和一种新型Hk-SJ结构器件,其主要创新点如下:(1)本文根据常规Hk结构器件的基本特性与不足,研究了一种纵向宽度渐变型Hk结构器件,基于电场调制的优化思想,利用倾斜的高k绝缘介质,提高器件体内异质界面处的电场,从而优化器件的电场分布,提升器件的性能。本文通过解析计算法建立了器件的电势分布和电场分布解析模型,并且采用数值仿真法验证分析了解析模型的有效性和正确性。此外,本文基于电场分布解析模型,通过非线性拟合法建立了器件耐压的近似解析模型,同时通过电场近似法建立了器件的比导通电阻近似解析模型。根据器件解析模型的理论分析与数值仿真实验结果的验证,在相同范围的击穿电压下(BV=400V1200V),相比于常规Hk结构器件,纵向宽度渐变型Hk结构器件的比导通电阻降低了约9%31%,具有更加优良的Ron,sp-BV折衷关系。(2)本文根据常规SJ结构器件的基本特性与不足,研究了一种纵向宽度渐变型Hk-SJ结构器件,依然基于电场调制的优化思想,继续利用倾斜的高k绝缘介质,既克服电荷非平衡对器件耐压的影响,并提高器件体内异质界面处的电场,从而优化器件的电场分布,提升器件的性能。本文采用数值仿真法研究分析了关键结构参数对器件发生雪崩击穿的影响,以及对比导通电阻和击穿电压的影响。并且,对比分析了几种相似器件的性能,根据数值仿真实验结果分析,对于相同器件元胞尺寸,纵向宽度渐变型Hk-SJ结构器件不仅耐压高,而且比导通电阻低,相关电特性也优良,器件的性能最出色。
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