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结型场板横向功率器件机理与新结构研究
结题报告
批准号:
61376079
项目类别:
面上项目
资助金额:
80.0 万元
负责人:
罗小蓉
依托单位:
学科分类:
F0404.半导体电子器件与集成
结题年份:
2017
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
张金平、明鑫、范杰、周坤、王沛、罗尹春、范远航、魏杰、徐青
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中文摘要
功率器件的关键是实现高压BV和低比导通电阻Ron,但Ron随BV的2.5次方增加。为此,进行以下创新研究:1.提出结型场板横向功率器件新结构,揭示其提高BV和降低Ron的机理。结型场板突破金属场板和电阻场板提升耐压的极限,且显著降低Ron。该技术普适于横向和纵向功率器件。器件机理:① 横向变掺杂的结型场板内电场均匀分布,其耦合作用使器件漂移区电场横向趋于均匀,提高BV;②结型场板(的P区)对N漂移区纵向耗尽,降低Ron,并增强纵向电场;③结型场板的结势垒克服电阻场板泄漏电流高的缺陷。④P衬底中的N埋层调制高、低压两端的体电场,扩展衬底耗尽区,改善BV。相比常规LDMOS,BV提高40%且Ron降低30%。2.基于结型场板的二维电场调制效应,求解特殊边界条件的泊松方程,建立结型场板功率器件的耐压解析模型,为结型场板器件提供普适的设计指导。3.研制结型场板LDMOS。项目具有创新性和实用价值。
英文摘要
The high breakdown voltage(BV) and low specific on-resistance (Ron)are critical factors for power devices. However, the Ron increases with BV to the 2.5 power,leading to a rapid increase in power comsumption. To address this problem, we have performed the following innovative researchs: 1. A novel lateral power device with junction field plate (JFP) is proposed, and its mechanism to improve the BV and reduce the Ron is investigated. The proposed JFP technology not only breaks through the limit of the increase in the BV, which the metal field plate or resistive field plate can reach,but also reduces the Ron significantly. This technology is generally applicable to the lateral and vertical power devices. The operation mechanism of the proposed device includes: ① The uniform electric field distribution is obtained in JFP with a variable lateral doping profile, and its coupled effect results in a uniform lateral electric field along the drift region of the power deivce. ② The P-region of the JPF depletes the N-drift region of the power device in the vertical direction, and thus reduces the Ron and enhances the vertical electric field strength in the drift region. ③The junction barrier of the JFP overcomes the drawback of the high leakage current existing in the resistive field plate. ④ The N buried layer in the P-substrate not only modulates the bulk electric field distributions between the high-voltage and the low-voltage region,but also extends the the depletion region in the P-substrate, improving the BV. Compared with the conventional LDMOS, the proposed JFP power device improves the BV by 40% and reduces the Ron by 30%. 2.Based on the two dimensional modulation effect of the electric field in the JFP device, a breakdown analytical model of the JFP LDMOS is presented by solving Poisson equation with special boundary conditions. The analytical model provides an universal design guild for the JFP power device. 3. The JFP LDMOS is to be fabricated experimentally. This project has high innovative significance and practical value.
兼具高击穿电压 (Breakdown Voltage, BV) 和低比导通电阻(Specific On-Resistance,Ron,sp)是功率MOSFET器件研究的热点科学问题,然而,存在困扰业界的Ron,sp∝BV 2.5的“硅极限”关系。为此,本项目从器件新结构,模型以及工艺实现等几个方面展开研究,成果突破了“硅极限”。本项目已经实现了预期目标,完全达到技术指标。取得的创新成果如下:.(1) 提出系列结型场板横向功率器件新结构,揭示其提高BV和降低Ron,sp的机理。新器件表面引入由PN结组成的结型场板结构,该结型场板结构不仅提升耐压,且显著降低Ron,sp。机理如下:① 横向变掺杂的结型场板内电场均匀分布,其耦合作用使器件漂移区电场横向趋于均匀,提高BV;② 结型场板中的P区对N漂移区(针对N沟道LDMOS)纵向辅助耗尽,提高漂移区掺杂浓度以降低Ron,sp;③ 结型场板的结势垒克服电阻场板泄漏电流高的缺陷。.(2) 建立了结型场板功率器件的耐压解析模型,为结型场板功率器件提供普适的设计指导,也为功率MOS器件设计提供了新的设计思路。.(3) 研制了具有结型场板的LDMOS样品,项目具有创新性和实用价值。研制的P沟道具有结型场板pLDMOS (JFP-PFL pLDMOS)样品耐压达到527V,比导通电阻值为323.7mΩ·cm2,比常规pLDMOS器件的耐压提高了41.7%且比导通电阻降低了57.8%。研制的N沟道具有结型场板的LDMOS样品耐压达到580V,而相同漂移区浓度下的常规LDMOS器件耐压仅为80V。实验结果验证了新器件的工作机理。.(4) 以该项目研究成果为主要支撑内容获得教育部自然科学二等奖和四川省科学技术进步奖一等奖;发表论文28篇(SCI检索共20篇,全部EI检索),含领域顶级期刊IEEE Electron Device Lett.(EDL)和IEEE Trans. on Electron Device(TED)论文10篇,在功率半导体领域顶级会议ISPSD发表6篇;获授权美国专利1项、授权中国发明专利9项,已受理中国发明专利申请12项。..全部达到了预期目标。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1088/1674-1056/23/12/127303
发表时间:2014-10
期刊:Chinese Physics B
影响因子:1.7
作者:Shi Xian-Long;Luo Xiao-Rong;Wei Jie;Tan Qiao;Liu Jian-Ping;Xu Qing;Li Peng-Cheng;Tian Rui-Chao;Ma Da
通讯作者:Ma Da
Ultralow Specific on-Resistance Trench MOSFET with a U-Shaped Extended Gate
具有 U 形扩展栅极的超低比导通电阻沟槽 MOSFET
DOI:10.1088/0256-307x/32/6/068501
发表时间:2015
期刊:Chinese Physics Letters
影响因子:3.5
作者:Wang Zhuo;Li Peng-Cheng;Zhang Bo;Fan Yuan-Hang;Xu Qing;Luo Xiao-Rong
通讯作者:Luo Xiao-Rong
A uniform doping ultra-thin SOI LDMOS with accumulation-mode extended gate and back-side etching technology
采用累积模式扩展栅极和背面刻蚀技术的均匀掺杂超薄SOI LDMOS
DOI:10.1088/1674-1056/25/2/027306
发表时间:2016-02
期刊:Chinese Physics B
影响因子:1.7
作者:Zhang Yan-Hui;Wei Jie;Yin Chao;Tan Qiao;Liu Jian-Ping;Li Peng-Cheng;Luo Xiao-Rong
通讯作者:Luo Xiao-Rong
Integratable trench MOSFET with ultra-low specific on-resistance
具有超低比导通电阻的可集成沟槽 MOSFET
DOI:10.1049/el.2015.1493
发表时间:2015-08
期刊:Electronics Letters
影响因子:1.1
作者:Yin Chao;Wei Jie;Zhou Kun;Luo Xiaorong
通讯作者:Luo Xiaorong
Analytical Model and New Structure of the Variable-k Dielectric Trench LDMOS With Improved Breakdown Voltage and Specific ON-Resistance
具有改进击穿电压和比导通电阻的可变介电常数沟槽LDMOS的解析模型和新结构
DOI:10.1109/ted.2015.2466694
发表时间:2015-10-01
期刊:IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES
影响因子:3.1
作者:Zhou, Kun;Luo, Xiaorong;Zhang, Bo
通讯作者:Zhang, Bo
新型高阈值电压GaN电力电子器件模型与关键技术研究
  • 批准号:
    U20A20208
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    260万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    罗小蓉
  • 依托单位:
对称极化掺杂增强型功率GaN HFET机理与工艺实现研究
  • 批准号:
    61874149
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    罗小蓉
  • 依托单位:
空穴气增强型高压GaN HEMT机理与新结构研究
  • 批准号:
    51677021
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    罗小蓉
  • 依托单位:
高压、超低功耗的易集成SOI功率器件机理与新结构研究
  • 批准号:
    61176069
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    70.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    罗小蓉
  • 依托单位:
新型低k介质埋层SOI功率器件耐压理论与新结构
  • 批准号:
    60976060
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    42.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    罗小蓉
  • 依托单位:
SOI高压器件荷致高场理论与新结构
  • 批准号:
    60806025
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    21.0万元
  • 批准年份:
    2008
  • 负责人:
    罗小蓉
  • 依托单位:
国内基金
海外基金