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一种具有高击穿电压和低导通电阻的新型鳍状栅极LDMOS

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电子器件 2022年第1期45卷 7-12页

作者：蒋志林王旭锋于平平姜岩峰江南大学电子工程系物联网技术应用教育部工程研究中心江苏无锡214122

设计了一种具有新型鳍状栅极结构的LDMOS功率开关器件(FG-LDMOS),该器件在导电沟道处纵向刻蚀一组浅沟槽,再经热氧化后填充作为场板的多晶硅。鳍状栅极结构在不改变器件尺寸情况下,增大了沟道的有效宽度,增强了场板效应。通过Silvaco T... 详细信息

设计了一种具有新型鳍状栅极结构的LDMOS功率开关器件(FG-LDMOS),该器件在导电沟道处纵向刻蚀一组浅沟槽,再经热氧化后填充作为场板的多晶硅。鳍状栅极结构在不改变器件尺寸情况下,增大了沟道的有效宽度,增强了场板效应。通过Silvaco TCAD仿真验证,结果表明FG-LDMOS较传统LDMOS具有更好的电学特性,如击穿电压提高了25%达到100 V,比导通电阻R_(on.sp)降低了25%至2.68 mΩ/cm^(2),品质因数FOM提高了94.5%到3.58 MW/cm^(2)。此外该FG-LDMOS拥有优异的高频开关特性,其栅漏电容C_(GD)降到了0.46×10^(-16) F/μm,跨导gm升至0.26 mS。

关键词：鳍状栅极击穿电压比导通电阻 Silvaco TCAD

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多间隙气体放电管研究及其应用

电工技术学报 2017年第2期32卷 70-76页

作者：李祥超周中山陈璞阳李鹏飞陈则煌南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放试验室南京210044

为了解决气体间隙放电在雷电防护应用中存在击穿电压高、工频续流大的问题,通过对汤森理论与帕森定律的分析,设计了一种多间隙气体放电管,并在帕森定律的基础上提出了单个间隙击穿电压乘以系数β(β<1)为多间隙气体放电管的击穿电压。... 详细信息

为了解决气体间隙放电在雷电防护应用中存在击穿电压高、工频续流大的问题,通过对汤森理论与帕森定律的分析,设计了一种多间隙气体放电管,并在帕森定律的基础上提出了单个间隙击穿电压乘以系数β(β击穿电压。采用模拟雷电流对多间隙气体放电管做冲击试验,结合气体放电理论与试验结果分析得出:与相同材料及极间距的传统气体放电管相比,多间隙气体放电管的击穿电压为其1/5左右,响应时延可缩短至200ns左右,残压上升陡度最大可减小0.3k V/μs;多间隙气体放电管在一定的雷电流范围内能够减少甚至消除工频续流,具有一定的实用价值。

关键词：多间隙气体放电管击穿电压雷电流响应时延残压上升陡度工频续流

结型增强栅AlGaN/GaN HEMT设计

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结型增强栅AlGaN/GaN HEMT设计

作者：袁嘉慧西安电子科技大学

学位级别：硕士

当前在电力及电子应用中所普遍采用的功率器件,以传统的硅基功率器件居多。由于硅基功率电子器件工艺技术的日益完善,其特性已趋近于硅材料极限,性能进一步提升存在较大困难,而以宽禁带半导体材料如氮化镓(GaN)、碳化硅(Si C)为基础的... 详细信息

当前在电力及电子应用中所普遍采用的功率器件,以传统的硅基功率器件居多。由于硅基功率电子器件工艺技术的日益完善,其特性已趋近于硅材料极限,性能进一步提升存在较大困难,而以宽禁带半导体材料如氮化镓(GaN)、碳化硅(Si C)为基础的新一代功率器件因具有更高的临界击穿电场、更快的开关速度等优点己经成为学界与业界共同的研究热点。AlGaN/GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor,HEMT)器件因采用高迁移率、高面密度的二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)形成导电沟道,而具有导通电阻低,输出电流大,开关速度快,工作频率高等优势,这使AlGaN/GaN HEMT成为GaN基功率开关器件中最受关注的结构。击穿电压(BV)和比导通电阻(R)是决定功率器件特性的主要性能。由于自发极化效应产生的二维电子气,AlGaN/GaN HEMT器件通常表现为耗尽型器件,这使其不适用于数字电路集成,同时较低的BV严重限制了其高功率应用。因此,为了获得高耐压增强型GaN基器件,本文基于AlGaN/GaN异质结结构设计了两种器件,所设计的器件既能利用结型场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor,JFET)结构的优势,也可以兼具AlGaN/GaN异质结二维电子气各项优点,具有高压高功率的性能优势。进一步,将新结构器件与常规AlGaN/GaN HEMT进行优化对比,减少横向AlGaN/GaN HEMT器件存在的电流崩塌、沟道电场分布不均匀引起的器件不稳定性及过早击穿等问题。通过对表面电场进行优化,提高器件耐压,获得尽可能低R和高BV。综上,本文的创新点和主要工作如下:(1)设计了具有漏端轻掺杂(low-density drain,LDD)结构的结型增强栅AlGaN/GaN HEMT器件,新结构结合了AlGaN/GaN HEMT和GaN JFET的优点。在关断状态下N型GaN缓冲层被P型GaN区域从任意一侧完全耗尽,从而实现正常关断操作。通过将氟离子掺入AlGaN层中形成LDD区域,提供固定负电荷,可以起到调节表面电场和减少2DEG密度的作用,从而实现电位的重新分布和峰值的降低。仿真结果表明,具有LDD结构的结型增强栅AlGaN/GaN HEMT的阈值电压为1.44V。与传统AlGaN/GaN HEMT相比,在漂移区长度均为5μm的情况下将BV由518V提升至914.8V,提高幅度约为76%;相应的比导通电阻R为2.03m?·cm,器件优值达到411.4MW/cm。(2)设计了具有刻蚀AlGaN层的结型增强栅AlGaN/GaN HEMT器件。新的器件可以有效优化表面电场和体电场,从而提高BV。根据Sentaurus TCAD的仿真结果,具有刻蚀AlGaN层的结型增强栅AlGaN/GaN HEMT获得了1.21V的正阈值电压。将EBL EM-AlGaN/GaN JFET的仿真结果与LDD EM-AlGaN/GaN JFET的击穿性能进行对比,在漂移区长度均为5μm时,BV由914.8V升高至1283V,器件的击穿性能得到大幅度的提升。相应的比导通电阻R为2.44m?·cm。器件优值由411.4MW/cm提升至679MW/cm,提高了65%。其次,对具有刻蚀AlGaN层的结型增强栅AlGaN/GaN HEMT器件建立泊松方程,求解在击穿时体内电场和表面电场分布的二维数值模型。进一步改变器件关键参数,通过数学模型分析参数对电场和电势分布的影响,解析模型与仿真结果拟合良好,充分证明了模型的有效性,并可以对器件结构参数优化提供理论指导,为其他GaN器件耐压研究提供新的思路。

关键词： AlGaN/GaN HEMT 击穿电压比导通电阻增强型器件 JFET

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多指型高K介质SOI LDMOS特性研究

多指型高K介质SOI LDMOS特性研究

作者：孙铭顺南京邮电大学

学位级别：硕士

绝缘体上硅横向双扩散金属氧化物半导体(SOI LDMOS)由于其更容易与CMOS兼容,并且具有耐压能力强、寄生电容低等特点被广泛采用。如何提高SOI LDMOS的器件性能,使其具有更高的击穿电压(BV)和更低的比导通电阻(R)是设计者们追求的目标之... 详细信息

绝缘体上硅横向双扩散金属氧化物半导体(SOI LDMOS)由于其更容易与CMOS兼容,并且具有耐压能力强、寄生电容低等特点被广泛采用。如何提高SOI LDMOS的器件性能,使其具有更高的击穿电压(BV)和更低的比导通电阻(R)是设计者们追求的目标之一。针对这个目标,本文提出了指型高K介质SOI LDMOS新器件,通过在漂移区内引入指型高K介质,充分发挥高K介质的调制作用,改善器件表面电场分布和漂移区掺杂浓度来提高器件性能,平衡了R和BV之间的矛盾关系。本文重点对新器件机理、器件结构参数优化、器件工艺制备等方面开展研究,主要工作包括:(1)研究了一种等指型高K介质LDMOS(EFHK-LDMOS),其主要结构特征是在器件的漂移区内引入部分高K介质,在靠近P阱区域的局部漂移区内形成高K介质和硅区域交替分布的结构。等指高K介质等长排布在漂移区内部,一端延伸至P阱区,指尖位于漂移区中,与漏极具有一定距离。所提出的器件结构不仅能在耐压方面改善器件表面电场分布提高耐压能力,而且能够提高器件漂移区的掺杂浓度,从而降低其比导通电阻,最终得到的器件性能得到显著提升。优化后的EFHK-LDMOS相较于传统LDMOS器件的击穿电压提升了48.5%,比导通电阻降低了18.9%,FOM提升了172%。(2)提出了一种多指型高K介质LDMOS(MFHK-LDMOS),其主要结构创新特征是在器件的漂移区内引入不同长度的多指高K介质,并按照特定的设计规则进行排布设计,介质区域的长度和宽度都进行仿真优化设计。所提出的MFHK-LDMOS新器件结构中相邻的多指高K介质长度不一,能够在漂移区的指尖位置引入多个电场峰,从而进一步调制表面电场。而且长度不一的多指高K介质能够防止电场在漂移区一个位置聚集,避免器件在该位置过早击穿,提高了器件击穿电压。仿真结果表明,优化后的MFHK-LDMOS的击穿电压能够达到403.8V,比导通电阻能够降低到18.7mΩ·cm,FOM能提升到8.72MW/cm,相比于传统型LDMOS器件的击穿电压提升了59.2%,比导通电阻降低了37.8%,FOM提升了三倍多,所提出的MFHK-LDMOS有效地平衡了R和BV之间的矛盾关系。(3)设计了多指型高K介质LDMOS新结构的工艺方案,并且通过Sentaurus中的Process工具进行工艺仿真,在器件的结构参数和工艺参数上进行仿真优化设计,验证了工艺方案及工艺参数的可行性。

关键词：高K介质等指型多指型表面电场击穿电压比导通电阻

分离式N型埋层三栅LDMOS设计与电热特性研究

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分离式N型埋层三栅LDMOS设计与电热特性研究

作者：贾晨华东师范大学

学位级别：硕士

LDMOS器件具有耐压好、驱动能力强且易于集成等优点,被广泛应用于电子汽车、智能家居等领域的功率电路中。LDMOS器件主要有几个重要的关键参数如击穿电压(BV)、比导通电阻(R)等。长期以来,科研人员致力于改善BV与R之间的矛盾关系,使其... 详细信息

LDMOS器件具有耐压好、驱动能力强且易于集成等优点,被广泛应用于电子汽车、智能家居等领域的功率电路中。LDMOS器件主要有几个重要的关键参数如击穿电压(BV)、比导通电阻(R)等。长期以来,科研人员致力于改善BV与R之间的矛盾关系,使其突破理想“硅极限”。另一方面,器件可靠性问题也是受到关注之一,器件在工作时其内部自热效应显著,会导致关键性能参数的退化,造成器件性能下降。此外,在SOI结构的器件中,埋氧化层成为器件散热的一道屏障,自热效应更加突出。因此,获得更优BV、R以及可靠性的LDMOS器件对应用具有重要的现实意义。本文提出了一种能实现电学特性折衷优化的SNTG-LDMOS结构,并以体硅SNTG-LDMOS和SOI SNTG-LDMOS为载体,仿真分析电热特性实现器件性能综合提升。论文的主要研究内容和成果如下:一、提出了一种分离式N型埋层三栅LDMOS(Separated N-type Buried Layer with Tripple Gates LDMOS,SNTG-LDMOS)器件,该器件在保持一定BV下具有较低的R以及较高的导通电流I。和双栅极LDMOS(Double Gates LDMOS,DG-LDMOS)器件相比,SNTG-LDMOS的G比DG-LDMOS提升了205%,BV为182 V,R为30.5 mΩ·cm,下降了14.6%,实现了电学特性的折衷优化,器件性能得到提升。二、确定参数最优值来实现器件电学特性的折衷优化。研究了关键掺杂浓度以及结构参数对SNTG-LDMOS器件的影响并分析原理,优化后的器件功率为1.191 MW/cm。另外,栅氧化层薄膜引入常见的介质(Hf O、SiN、Ga As)并进行仿真工作。当栅氧化层薄膜介质为Hf O时,器件性能表现优异。优化后器件的BV为189 V,R为25 mΩ·cm,降低了16.7%,FOM为1.428 MW/cm,SNTG-LDMOS器件综合性能得到提升。三、研究了体硅和SOI SNTG-LDMOS的自热效应,对自热效应引起的温度分布、热阻分布方面进行仿真工作,解释机理并进行性能对比。相比体硅器件,SOI SNTG-LDMOS器件热特性略差,R增大了14.3%,I退化了6.2%。其次,对SOI SNTG-LDMOS器件的埋氧层进行开硅窗口以及增加硅柱结构,以此改善器件的可靠性。相比于SOI SNTG-LDMOS,带硅窗口SOI SNTG-LDMOS的热特性得到有效改善。最后,为了进一步缓解带硅窗口SOI SNTG-LDMOS器件的自热效应,对硅窗口数量以及大小进行优化改进。仿真结果发现,在不影响电学特性情况下,器件热特性改善了20%。综上所述,本文提出的SNTG-LDMOS器件经仿真对比分析,其具有更好的综合性能,实现了击穿电压与特征导通电阻的折衷优化,并改善了器件的热可靠性,可考虑用于200V以内的中低压汽车电子和通信基站等领域。

关键词： SNTG-LDMOS 击穿电压导通电阻自热效应

隔板尺寸对棒-板空气绝缘间隙工频耐压特性的影响

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高电压技术 2018年第1期44卷 195-200页

作者：郑跃胜陈雍钟小燕缪希仁福州大学电气工程与自动化学院

为了进一步揭示隔板尺寸对气体绝缘间隙耐压水平的影响，对棒-板空气绝缘间隙引入不同尺寸隔板前后的工频耐压特性进行了实验研究。通过改变隔板位置和电极开距，研究了不同尺寸隔板对间隙工频击穿电压和起晕电压的作用，并分析了隔板... 详细信息

为了进一步揭示隔板尺寸对气体绝缘间隙耐压水平的影响，对棒-板空气绝缘间隙引入不同尺寸隔板前后的工频耐压特性进行了实验研究。通过改变隔板位置和电极开距，研究了不同尺寸隔板对间隙工频击穿电压和起晕电压的作用，并分析了隔板表面的剩余电荷对击穿电压的影响。结果表明：隔板的引入大大提高了整个间隙的击穿电压，隔板尺寸较大时击穿电压最大可提高到原来的2．32倍；隔板的引入会略微降低整个间隙的起晕电压，最大下降幅值约为2kV；隔板表面的剩余电荷对工频击穿电压通常不存在累积效应。为使整体工频耐压特性最佳，需要综合考虑隔板的尺寸和位置对击穿电压和起晕电压的作用。

关键词：棒-板间隙隔板击穿电压起晕电压气体放电聚合物

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垂直型氮化镓功率器件新结构设计与研究

垂直型氮化镓功率器件新结构设计与研究

作者：杨叶桂林电子科技大学

学位级别：硕士

随着对高击穿电压、低导通电阻、良好可靠性、抑制横向氮化镓(GaN)器件电流崩塌等一系列方面的进一步需要,GaN垂直功率器件已经成为当前的热门话题。缓解氮化镓功率器件的击穿电压和导通电阻的矛盾关系是目前第三代功率半导体器件研究... 详细信息

随着对高击穿电压、低导通电阻、良好可靠性、抑制横向氮化镓(GaN)器件电流崩塌等一系列方面的进一步需要,GaN垂直功率器件已经成为当前的热门话题。缓解氮化镓功率器件的击穿电压和导通电阻的矛盾关系是目前第三代功率半导体器件研究领域的重要问题;同时传统GaN基垂直功率器件P型掺杂难以实现高浓度的空穴气,这严重阻碍了器件的发展。为了解决上述问题,本文讨论了基于单埋层结构、埋柱结构以及超结结构的新型垂直型氮化镓功率器件结构,并展开系统和深入的研究。利用Sentaurus TCAD仿真软件,分析器件机理、研究相关结构参数的优化、以及对GaN功率器件功率特性的改善作用,从中得到了一些具有实际指导意义的研究规律以及一些具有价值的研究成果。本论文从以下几点展开研究:1.讨论了一种阶梯式长度渐变埋层掺杂的垂直型GaN基功率器件(SBL-CAVET)。仿真结果表明:经过优化后的SBL-CAVET器件的击穿电压达到了2873V的,比传统器件高出了52%;导通电阻为1.06 mΩ·cm,比传统器件降低了8%;功率优值达到了7.80 GW/cm,比传统器件高出了150%。表现出更优越的耐压特性。2.讨论了一种非单一浓度掺杂的超结垂直型GaN基功率器件(NC-CAVET)。仿真结果表明:NC-CAVET的击穿电压与SJ-CAVET差值最小时,前者导通电阻相较于后者的最大减小量超过了53%,最小减小量仍然达到了10%,这足以证明在不损失击穿电压的前提下NC-CAVET在减小导通电阻方面存在的巨大潜力。3.讨论了一种Al组分线性渐变掺杂的超结垂直型GaN基功率器件(LG-CAVET)。仿真结果表明:LG-CAVET的击穿电压达到3638V,相较于传统器件和超结器件分别增加了92%和47%;比导通电阻为1.7 mΩ·cm,这是由于P柱内没有电流;功率优值为7.78 GW/cm,相较于传统器件和超结器件分别提升了150%和90%。由此可见,LG-CAVET器件解决了传统P型GaN埋层工艺难度大、受主杂质难以激活以及器件热稳定性差等问题,表现出更优越的耐压特性。

关键词：氮化镓垂直型功率器件击穿电压超结功率优值

基于混合漏电极的GaN-Si单片异质集成Cascode FET研究

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基于混合漏电极的GaN-Si单片异质集成Cascode FET研究

作者：杨国放西安电子科技大学

学位级别：硕士

采用传统的Al GaN/GaN异质结结构的GaN HEMT(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor)器件表现出常开特性,造成其应用困难,因此,增强型GaN基功率器件受到了广泛的关注与研究。目前,采用增强型Si MOSFET(Silicon Metal-OxideSemiconductor Field Effect Transistor)器件与耗尽型GaN HEMT器件级联的共源共栅晶体管(Cascode FET)是主流的商用增强型器件之一。然而,目前的商用Cascode FET器件的击穿电压较低,并且采用键合线将分立的Si器件和GaN器件连接后封装起来,长互连距离引入了较大的寄生电感。本文针对上述Cascode FET器件存在的两个主要问题展开研究,主要研究内容和结果如下:首先,本文采用LTspice电路仿真软件搭建了双脉冲仿真测试电路,对Cascode FET器件在关断期间的电压分布过程和互连寄生电感对开关特性的影响进行了分析。结果表明,GaN HEMT器件是Cascode FET器件关断时承担高电压的主体结构,互连线产生的寄生电感会在器件开通时产生较大的开关损耗。然后,本文对GaN HEMT器件进行了耐压优化,设计并制备了一种肖特基-欧姆混合漏电极GaN HEMT器件。该器件的击穿电压在栅漏间距为18μm时达到了1270V,与欧姆漏电极GaN HEMT器件相比提高了66%,并且,混合漏电极的引入对器件的转移特性和输出特性影响很小。与纯肖特基漏电极器件相比,该器件获得了同等级的击穿电压,同时解决了因肖特基势垒引入造成器件存在开启电压的问题。对比了具有不同栅漏间距的肖特基-欧姆混合漏电极GaN HEMT器件的电学性能,结果表明,栅漏间距的增大可以有效提升器件的击穿电压,但也会造成导通电阻增大,这一问题需要根据实际需要进行权衡。最后,本文设计了一种具有新型结构的Cascode FET器件,该器件采用了肖特基-欧姆混合漏电极结构,同时Si器件与GaN器件集成在单个衬底上。级联结构中的Si器件采用了LDMOS(Laterally-diffused Metal-oxide Semiconductor)结构以提升其击穿电压,并引入了体导出区以减弱浮体效应;GaN HEMT器件采用肖特基栅极结构以获得更小的阈值电压;采用200 nm厚的Si N绝缘层对Si器件与GaN器件进行电气隔离,并减弱极化电荷对Si器件的影响。采用转移印刷技术,成功实现了GaN材料与Si材料的单片异质集成,并在此基础上,成功制备了基于肖特基-欧姆混合漏电极结构的Cascode FET器件。该器件的互连长度缩短至50μm,可以有效降低寄生电感;阈值电压达到3.5 V,成功实现常关特性;导通电阻为46.5Ω·mm;级联结构中GaN HEMT器件的栅漏间距为18μm时,Cascode FET器件的击穿电压高达1730 V。

关键词：氮化镓肖特基-欧姆混合漏电极击穿电压 Cascode FET 转移印刷单片异质集成

基于支持向量机的棒-板空气间隙击穿电压预测方法及其应用

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电工技术学报 2017年第19期32卷 220-228页

作者：邱志斌阮江军黄道春舒胜文武汉大学电气工程学院武汉430072 国网福建省电力有限公司电力科学研究院福州350007

空气间隙的击穿电压与放电起始前的电场分布特征存在多维非线性关系。为了实现空气间隙的击穿电压预测,以电场特征集作为输入,以间隙在加载电压下是否击穿作为输出,采用支持向量分类机建立击穿电压预测模型。针对极不均匀电场空气间隙... 详细信息

空气间隙的击穿电压与放电起始前的电场分布特征存在多维非线性关系。为了实现空气间隙的击穿电压预测,以电场特征集作为输入,以间隙在加载电压下是否击穿作为输出,采用支持向量分类机建立击穿电压预测模型。针对极不均匀电场空气间隙的击穿特性受电晕影响的问题,提出两种修正方法:通过增加受电晕影响的训练样本数据,提高预测模型的泛化性能;或基于"电晕云"的思想进行二次电场计算及特征量提取,对预测模型的输入特征进行修正。采用修正后的模型对极不均匀电场下棒-板间隙的工频击穿电压及棒-板长空气间隙的操作冲击放电电压进行预测,预测值与试验值吻合良好。该方法有利于减少试验次数,降低试验成本。

关键词：棒-板空气间隙极不均匀电场击穿电压支持向量机电场特征量电晕层