功率超结器件

　　超结是功率半导体器件领域的创新的耐压层结构之一，它将常规阻型耐压层质变为PN 结型耐压层，突破了传统比导通电阻和耐压之间的“硅极限”关系（Ron，sp∝VB^2.5），将 2.5次方关系降低为 1.32次方，甚至是 1.03 次方关系，被誉为功率半导体器件发展的“里程碑”。本书概述了功率半导体器件的基本信息，重点介绍了作者在功率超结器件研究中获得的理论、技术与实验结果，包括电荷场调制概念、超结器件耐压原理与电场分布、纵向超结器件非全耗尽模式与准线性关系（Ron，sp∝VB^1.03）、横向超结器件等效衬底模型、全域优化法、最 低比导通电阻理论等。在此基础上，本书又提出了匀场耐压层新概念，即以金属-绝缘体-金属元胞替代 PN 结元胞，并对这种匀场耐压层的新应用进行了探索。本书可供半导体器件相关专业的科研工作者参考

　　章文通 电子科技大学副教授。从事功率半导体器件与功率集成技术方向研究。以第 一作者身份在IEEE EDL、IEEE TED 上发表论文 19 篇，2 次入选IEEE EDL 封面 Highlight，授权国家发明专利 34 项，获国防技术发明奖二等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖、电子科技大学学术新人奖等。 张波 电子科技大学教授、博士生导师，电子科技大学集成电路研究中心主任、功率集成技术实验室主任。长期从事功率半导体技术研究，担任IEEE TED 功率器件领域编辑。发表学术论文 600 余篇，授权国家发明专利 200 余项，获国家科学技术进步奖二等奖等国 家级、省部级奖项 18 项。 李肇基 电子科技大学教授、博士生导师，曾任电子科技大学微电子研究所所长、四川省电力电子学会副理事长。从事功率半导体器件与集成电路研究近 40 年，发表学术论文 200 余篇，授权国家发明专利 40 余项，获国家科学技术进步奖二等奖、三等奖等。

第1章　功率半导体器件基础 1 1.1 概述 1 1.2 雪崩击穿 3 1.2.1 碰撞电离率与Ec增强 3 1.2.2 雪崩击穿的分析方法 8 1.3 结终端技术与RESURF技术 9 1.3.1 结终端技术 9 1.3.2 RESURF技术 20 1.4 功率MOS晶体管 22 1.5 IGBT 24 1.6 宽禁带功率半导体器件 25 参考文献 27 第2章 超结器件耐压原理与电场分布 30 2.1 超结器件基本结构 30 2.2 电荷场调制 32 2.2.1 电荷场分析 32 2.2.2 电荷场的普适性 34 2.3 超结耐压层电场分布 35 2.3.1 超结器件耐压层电场概述 36 2.3.2 电场分布解析 37 2.3.3 特征厚度与电荷场 47 2.4 超结电场的二维性 49 2.4.1 超结电荷场的二维性 49 2.4.2 超结矢量场与电场三维分布 53 2.4.3 等势关系 54 2.5 超结器件全域优化与设计 57 2.5.1 功率半导体器件雪崩击穿路径 58 2.5.2 黄金分割优化法 59 2.5.3 神经网络预测 59 参考文献 62 第3章 纵向超结器件 63 3.1 超结器件NFD模式 63 3.1.1 VB归一化系数与电荷场归一化因子 64 3.1.2 NFD模式 66 3.1.3 Ron,min归一化判断依据 69 3.1.4 纵向超结器件设计 71 3.1.5 超结器件Ec增强 78 3.2 纵向超结器件Ron,min理论 79 3.2.1 Ron,min物理与解析基础 79 3.2.2 纵向超结R-阱模型 83 3.2.3 纵向超结Ron,min优化法 87 3.2.4 全域Ron,sp和电荷场归一化因子与Ron,sp-VB关系 91 3.2.5 超结尺寸极限与3-D超结Ron,min 98 3.3 纵向半超结器件Ron,min优化 104 3.3.1 纵向半超结二维势、场解析 105 3.3.2 纵向半超结Ron,min优化 108 3.4 纵向超结器件电流特性与安全工作区 114 3.4.1 电流特性 114 3.4.2 安全工作区 115 3.5 纵向超结器件瞬态特性 120 3.6 纵向超结器件实验 125 3.7　SiC超结器件 133 3.7.1 SiC一般特性 133 3.7.2 SiC超结Ron,min 137 参考文献 140 第4章 横向超结器件 144 4.1 横向超结器件SAD效应 144 4.2 ES模型 145 4.2.1 ES模型简介 145 4.2.2 SAD效应与理想衬底条件 149 4.2.3 CCL掺杂分布 152 4.3 横向超结器件Ron,min优化 158 4.3.1 横向超结与纵向超结器件Ron,min优化比较 158 4.3.2 横向超结N、Ld设计 160 4.3.3 横向超结Ron,sp-VB关系 163 4.4 横向超结器件设计 165 4.5 横向超结器件实验 172 4.5.1 体硅衬底的横向单元胞超结器件实验 173 4.5.2 SOI衬底的SJ/ENDIF横向超结器件实验 176 4.5.3 基于归一化导电优化的半超结实验 182 4.5.4 超结Ron,sp∝ 关系初步实验 186 参考文献 189 第5章 典型超结器件结构 193 5.1 纵向超结器件结构 193 5.1.1 超结器件典型制造工艺 193 5.1.2 纵向超结器件新结构 196 5.2 横向超结器件结构 197 5.2.1 抑制SAD效应的典型方法 197 5.2.2 横向超结器件新结构 198 5.3 超结IGBT器件 200 5.3.1 准单极异位输运模式 201 5.3.2 全域电导调制型超结IGBT 205 5.4 宽禁带超结器件 206 5.4.1 SiC超结器件结构 207 5.4.2 GaN超结器件结构 208 5.5 高K耐压层及器件新结构 209 5.5.1 高K耐压层机理 210 5.5.2 高K器件新结构 211 参考文献 213 第6章 匀场器件 222 6.1 匀场耐压层 222 6.1.1 表面与体内MIS调制 222 6.1.2 新型匀场耐压层匀场机制 223 6.2 匀场机理与模型 224 6.2.1 电荷自平衡 224 6.2.2 周期场调制模型 227 6.3 匀场器件 233 6.3.1 具有匀场耐压层的LDMOS器件 233 6.3.2 互补耗尽机理与C-HOF器件 236 6.3.3 三维体内曲率效应与Trench-stop器件 241 6.4 匀场介质终端技术 242 6.5 匀场耐压层实验 247 6.5.1 匀场耐压层实现关键工艺 247 6.5.2 匀场耐压层工艺仿真 249 6.6 匀场器件实验 251 6.6.1 匀场LDMOS器件实验 251 6.6.2 C-HOF LDMOS器件实验 254 6.6.3 具有漏端耗尽截止槽的C-HOF LDMOS器件实验 257 6.6.4 介质终端技术实验 259 6.7 匀场耐压层应用探索 261 6.7.1 SOI器件 261 6.7.2 高压互连技术与体内曲率结扩展技术 265 6.8 非完全式雪崩击穿原理与more silicon发展 266 参考文献 274 附录1 功率半导体器件基本图表 276 1.1 功率半导体材料性质 276 1.2 给定耐压层长度L下的硅的理想击穿电压VB 276 1.3 给定耐压层长度L下的理想平均电场Ep0 277 1.4 给定耗尽距离ts下的最高掺杂浓度Nmax与优化掺杂浓度N的范围 277 1.5 给定耗尽距离t下的最高掺杂剂量Dmax与优化掺杂剂量D的范围 277 1.6 给定掺杂浓度N下的比导通电阻Ron,sp 279 附录2 超结傅里叶级数法解的化简与电荷场归一化 280 附录3 神经网络实例 287 附录4 R-阱与Ron,min优化算法 289 附录5 横向超结耐压层三维势、场傅里叶级数法 290 附录6 本书功率器件发展树Power tree 294