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作为全控型器件,MOS栅控功率器件具有高输入阻抗、易驱动等优点,而占分立器件最大市场份额并是功率集成电路的主力功率单元,是AC-DC、DC-DC转换以及功率驱动等芯片的核心器件。功率器件的关键在于实现高耐压、低功耗及高功率密度。作为功率半导体的主力器件,功率MOS存在着Ron,sp∞BV2.5(击穿电压 Breakdown Voltage,B ;V比导通电阻 Specific On-Resistance, Ron,sp)的“硅极限”制约关系。特别地,因空穴的迁移率低于电子的迁移率,p沟道MOS器件中Ron,sp与BV的矛盾关系更为突出。降低表面场(Reduced Surface Field, RESURF)技术与超结(Superjunction,SJ)技术能有效降低功率MOS的Ron,sp并保持高BV。槽型技术则可进一步降低器件所占芯片面积,实现小型化、高密度设计。然而,因实际应用中pLDMOS所接电位的不同,当前RESURF法则并不能直接运用于SOI pLDMOS器件设计,且RESURF技术与超结技术在缩短功率器件横向尺寸方面作用有限;槽型LDMOS器件尚无精确的统一耐压解析模型作为理论指导。IGBT因其具有电导调制效应而在高压大电流应用中更具优势,其中逆阻型(Reverse Blocking, RB) IGBT因同时具备正反向阻断能力,用于矩阵变换器中可以省略二极管,有利于降低AC-AC变频系统的功率损耗,提高转换效率,降低变换系统的体积和成本。然而,基于非穿通(Non-punch-through, NPT)元胞区结构的传统RB-IGBT具有较高的导通损耗及开关损耗。为此,本文围绕高压低功耗MOS栅控功率器件研发中亟待解决的基础问题,从理论模型和器件结构两个方面,从新机理、新材料和新结构方面寻求突破点,面向功率SOI LDMOS及RB-IGBT器件开展研究。本文的创新点在于,建立一个耐压解析模型,在模型指导下提出三种器件新结构,并进行相关实验研究。1.槽型LDMOS统一耐压解析模型针对槽型LDMOS器件的高压低阻设计,建立槽型LDMOS的统一耐压解析模型,普适于变k介质及均匀介质槽型LDMOS。提出虚拟场板等势解耦法,将槽型器件体内复杂场进行分区解耦,求解二维Poisson方程,获得器件内部关键路径的势场分布解析式,建立耐压解析模型,并导出最优RESURF条件。模型解析结果与仿真结果吻合较好,该模型从理论上揭示了槽型LDMOS关键参数与BV之间的内在联系,获得了高压槽型LDMOS器件的优化设计准则。(相关研究发表于IEEE Transactions on Electron Devices (T-ED), 2015, 62(10): 3334-3340)2.超低比导变k槽型SOI nLDMOS器件新结构在槽型LDMOS耐压解析模型的指导下,基于异质材料融合的思想,提出变k槽型SOI LDMOS器件。新结构将低k介质与Si02介质引入SOI LDMOS耐压区,基于不同介质电位移连续性原理,利用k值的突变,在SOI槽型LDMOS体内产生新的电场峰值,获得最优体内电场分布。与以往通过提高LDMOS漂移区载流子浓度的方式不同,该器件新结构采用了横向功率器件“纵向化”的设计思想,充分利用体内承受横向高压,大幅降低器件横向尺寸,突破功率器件2.5次方“硅极限”制约关系。新结构在BV=600～900V高耐压范围内,Ron,sp仅为15.8-37.7 mQ·cm2,品质因数(FOM=BV2/Ron,sp)高达21.8MW/cm2,优于当前国际上同类槽型LDMOS 器件。(相关研究发表于 IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s (ISPSD), Hawaii, 2014, 189-192 和 IEEE T-ED, 2015,62(10): 3334-3340)3.电导增强型高压SOI pLDMOS器件机理与新结构针对SOI pLDMOS电气连接特殊性导致RESURF效应受限的问题,本文提出RESURF增强的SOI pLDMOS器件新结构。该器件在N-SOI顶层硅内构建了围绕介质槽的U型P-漂移区。阻断状态下,利用N-SOI顶层硅和介质槽内的垂直延伸栅对P-漂移区产生的多维度耗尽作用,实现增强的RESURF效果。通过解析计算,获得电导增强因子△Q=1.4×1012cm-2～3.4×1012cm-2,而常规SOI pLDMOS漂移区电荷量仅为1011cm-2量级。该器件在BV=329V耐压下实现Ron,sp=17.5mQ·cm2,相比平面型P-top结构的Ron,sp降低79%。此外,新结构实现了对背栅偏置效应的有效屏蔽,以300V级器件为例,器件有源区电学特性能够在VBG=-150V～150V的大范围浮动下保持恒定。(相关研究发表于IEEE T-ED, 2014, 61(7): 2466-2472)4.超低功耗SJ RB-IGBT器件新结构针对常规RB-IGBT元胞区NPT结构导致功耗较高的问题,本文首次提出SJ RB-IGBT器件,新结构兼具双向高压阻断能力、低导通压降及开关损耗。该器件在漂移区采用SJ结构,并引入短路集电极槽,利用短路集电极槽对底部截止层N1辅助耗尽,结合N条顶部N2场截止层,有效解决了 FS IGBT和常规SJ IGBT无法同时承受正反向阻断高压的问题。通过研究新结构通态电流输运机制,揭示了SJ RB-IGBT与常规SJ IGBT不同的导通特性:在线性区导通态,SJ RB-IGBT可在高漂移区浓度下保持双极电流输运模式,增强了电导调制效应,而实现低Von,且降低电学性能对浓度变化的敏感性;在关断瞬态,SJ耐压区的横向电场使器件呈现单极电流输运模式,使SJ RB-IGBT在关断速度方面可与MOSFET媲美,实现无拖尾电流和低关断能耗。因此,SJ RB-IGBT新结构兼具双极型器件大电流能力和单极型器件高关断速度的优点。(相关研究发表于IEEE Electron Device Letters(EDL), 2016, 37(11): 1462-1465)值得一提的是,面向基于矩阵变换器的AC-AC应用,本文研究了 SJRB-IGBT的应用级特性,分析基于SJRB-IGBT的矩阵变换器的换流特性及损耗分布,得出基于SJRB-IGBT的矩阵变换器的总功耗,并与现有RB-IGBT器件进行比较,评估新结构在AC-AC应用的性能优势。(相关研究发表于IEEE Transactions on Power Electronics,已录用)