新型可集成橫向功率器件以及分立縱向功率器件的研究.pdf

1、電力電子技術(shù)是電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)。它將一種類型的電能轉(zhuǎn)換成另一種類型的電能，從而實現(xiàn)各種場合的應(yīng)用。電力電子系統(tǒng)最為關(guān)鍵的元器件就是功率半導(dǎo)體器件。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成化、智能化、小型化成為了主要的發(fā)展方向。智能功率集成電路應(yīng)運而生，它將控制電路，驅(qū)動電路，保護電路以及功率半導(dǎo)體器件等集成到一個芯片里面，從而增加了系統(tǒng)的智能度和集成度。為了將功率器件集成到同一個芯片里，橫向功率器件是最常見和最可行的選擇。然而,由于在橫向功率

2、器件中，電流是橫向流過器件表面附近，所以其電流密度較小，導(dǎo)通功耗較大，通常比較適用于較低電壓和較小功率的應(yīng)用場合。相比于橫向功率器件，分立縱向功率器件電流密度大，導(dǎo)通壓降低，更適合于高電壓，高功率場合的應(yīng)用。同時，為了系統(tǒng)的小型化等因素，通常也需要將兩種或以上的分立器件集成或封裝到一個芯片或模塊中，例如逆導(dǎo)型絕緣柵雙極性晶體管(Reverse Conducting-Insulated Gate Bipolar Transistor:RC

3、-IGBT)。由此可見橫向和縱向功率半導(dǎo)體器件都有著各自的發(fā)展和應(yīng)用場合。
　　鑒于以上分析，基于陳星弼教授提出的新型高低側(cè)半導(dǎo)體器件以及復(fù)合緩沖層（后來稱為超結(jié)：Super-Junction)，本文主要對橫向功率器件和縱向功率器件進行了研究和設(shè)計。本文的主要工作體現(xiàn)在第二章至第五章，其中第二至第三章為橫向功率器件，第四至第五章為縱向功率器件。主要內(nèi)容為：
　　1．研究了橫向功率半導(dǎo)體器件在高壓集成電路中的應(yīng)用，并提出了一種

4、新型的p型橫向雙擴散金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Lateral Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor field effect transistor:p-LDMOS)。該新型p-LDMOS被命名為“贗p-LDMOS”。該結(jié)構(gòu)在導(dǎo)電時不僅利用空穴進行導(dǎo)電，同時，通過一個簡單的自動控制電路還實現(xiàn)了電子層導(dǎo)電。由于電子遷移率約是空穴的3倍，從而，該p-LDMOS的比導(dǎo)通電阻(specific

5、 on-resistance:Ron,sp)被極大地降低。
　　2．基于上述“贗p-LDMOS”的研究，本文提出了一種主要應(yīng)用在半橋或全橋輸出電路中的改進的反型層“贗p-LDMOS”。在改進的結(jié)構(gòu)中，首次成功引入了電子的反型層進行導(dǎo)電，從而使得該“贗p-LDMOS”的比導(dǎo)通電阻Ron,sp進一步銳減。改進后的“贗p-LDMOS”的導(dǎo)電能力與現(xiàn)有的采用積累層導(dǎo)電的n-LDMOS電流能力相當(dāng)。
　　3.提出了一種體二極管具有低反

6、向恢復(fù)電荷(Reverse Recovery Charge：Qrr)的超結(jié)U型柵-金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Super-Junction-U-shaped gate Metal-Oxide-Semiconductor field effect transistor: SJ-UMOSFET或SJ-UMOS)。在功率MOSFET的大部分應(yīng)用中，通常都會有一個反并聯(lián)的二極管用于電感續(xù)流。由于MOSFET的結(jié)構(gòu)特性，其本身就帶有一個反并

7、聯(lián)的二極管，稱為體二極管。傳統(tǒng)的SJ-UMOS的體二極管由于存在漂移區(qū)的P柱向N柱注入空穴，使得體二極管的反向恢復(fù)電荷很大，這就極大地增加了系統(tǒng)功耗。本文提出一種新型的SJ-UMOS，該結(jié)構(gòu)成功阻止了P柱向N柱的空穴注入，從而極大地降低了體二極管的反向恢復(fù)電荷。
　　4.提出了一種新型的RC-IGBT。同功率MOSFET一樣，IGBT在多數(shù)應(yīng)用場合需要一個反并聯(lián)的二極管用于電感續(xù)流。在同一芯片中集成了反并聯(lián)體二極管的IGBT稱為R