纳米硅高临界场的能量弛豫机理与模型探索
批准号:
61704020
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
29.0 万元
负责人:
章文通
依托单位:
学科分类:
F0404.半导体电子器件与集成
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
詹珍雅、余洋、王正康、蒲松、叶力
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中文摘要
迄今国际上纳米硅高临界场Ec雪崩击穿机理尚待深究,更无定论。本项目提出纳米硅高Ec碰撞电离能量弛豫模型,揭示纳米硅临界场Ec增强机理;获得普适Ec定量关系,证明65 nm硅可实现Ec为185.2 V/μm,远逾常规;提出高临界场高耐压SOI器件新结构并进行实验研制。含三创新点:(1)提出纳米硅碰撞电离能量弛豫模型,建立能量输运概念,在准静态条件下求解简化玻尔兹曼能量输运方程,通过引入能量弛豫因子,获得载流子能量分布,揭示纳米硅临界场增强机理;(2)首次获得纳米硅Ec定量关系,提出三步优化法对Ec理论解析式进行最小二乘法非线性拟合,实现统一临界场Ec定量关系,奠定纳米硅材料雪崩击穿理论基础,其方法普适于其他半导体材料;(3)提出900 V级高临界场高耐压SOI器件新结构,突破迄今报道薄层SOI器件耐压值,兼具更低比导通电阻。本研究系纳米硅材料基础物理学前沿研究,意义重大。
英文摘要
The avalanche breakdown mechanism of the nanometer silicon with high critical electric field Ec is not clear yet. The energy relaxation model of the impact ionization of the high Ec nanometer silicon is proposed, which reveals the enhancement mechanism of Ec in the nanometer silicon. The quantitative expression of Ec is obtained from the model. The much higher Ec is demonstrated being 185.2 V/μm for the 65nm silicon. The new SOI device structure is given with high Ec and high breakdown voltage VB and will be experimental realized. There are three innovation points in this study: (1) the energy relaxation model of the nanometer silicon is proposed. With the concept of the energy transport, the simplified Boltzmann energy transport equation is solved under the quasi-static condition. By using the energy relaxation factor, the energy distribution of the carrier is given to reveal the essence of the Ec enhancement; (2) the quantitative Ec expression is obtained for the first time. The three step optimization method is proposed to obtain the united analytical Ec with the nonlinear least squares curve fitting method, which is the basis of the avalanche breakdown theory for the nanometer silicon. The method is universal for other semiconductor materials; (3) the 900 V level new SOI device structure with high Ec and high VB is proposed, which breakthroughs the reported maximum VB up to now and has the lower specific on resistance. This study is of great importance as the frontier research of the basic material physics for the nanometer silicon.
本项目将功率半导体器件碰撞电离基础问题视为能量输运过程,提出纳米硅碰撞电离能量输运概念,建立纳米硅高Ec碰撞电离能量弛豫模型,通过求解半经典玻尔兹曼能量平衡方程,揭示纳米硅临界场Ec增强机理,获得普适Ec定量关系。主要创新点如下:(1)提出纳米硅碰撞电离能量弛豫模型,在准静态条件下求解简化玻尔兹曼能量输运方程,通过引入能量弛豫因子,获得雪崩击穿条件下载流子能量分布,揭示纳米硅临界场增强机理;(2)获得纳米硅Ec定量关系,提出三步优化法对Ec理论解析式进行最小二乘法非线性拟合,实现统一临界场Ec定量关系,奠定纳米硅材料雪崩击穿理论基础,其方法普适于其他半导体材料;(3)提出两种900 V级高临界场高耐压SOI器件新结构,突破迄今报道薄层SOI器件耐压值,兼具更低比导通电阻,实现器件耐压VB为977 V比导通电阻Ron,sp为145 mΩ.cm2,较传统硅极限降低18.1%,在0.17 μm纳米硅材料上实验获得Ec为106.7 V/μm,远逾常规约30 V/μm且与本项目理论一致;(4)提出部分超结器件最低Ron,sp优化模型,引入双电荷场概念,采用泰勒级数法获得精确二维势场分布,通过二维R-阱优化,获得最低Ron,sp及解析设计式,指导器件设计;(5)首次实验验证了超结器件非全耗尽NFD耐压模式,提出三次注入新工艺形成NFD超结,研制出VB为484 V且Ron,sp为30.9 mΩ.cm2横向超结器件,Ron,sp较传统超结器件降低67.8%;(6)提出归一化导电能力概念,实现横向器件引入超结前后导电能力的定量分析,获得具有线性掺杂补偿层的横向半超结器件最低比导通电阻,并进行实验研制,实测VB为464.3 V,Ron,sp为25.5 mΩ·cm2,较同等耐压下Triple RESURF器件理论比导降低了37.7%。基于该项目研究,共发表SCI论文9篇,含本领域一流期刊IEEE EDL、IEEE TED 论文6篇,在本领域一流国际会议IEEE ISPSD发表论文3篇,均为大会报告;申请中国发明专利27项,其中已授权3项。本项目的科学意义在于:提出了纳米硅碰撞电离能量弛豫模型、纳米硅临界场关系式、半超结最低比导通电阻模型和归一化导电能力,深究功率高压超结器件耐压比导通电阻基础问题,揭示其多维场调制机理,其理论结果具有普适性,已指导研制多种功率超结器件新结构。
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:10.1109/ted.2019.2895328
发表时间:2019-02
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices
影响因子:3.1
作者:Wentong Zhang;L. Ye;Dong Fang;M. Qiao;Kui Xiao;Boyong He;Zhaoji Li;Bo Zhang
通讯作者:Wentong Zhang;L. Ye;Dong Fang;M. Qiao;Kui Xiao;Boyong He;Zhaoji Li;Bo Zhang
A Novel High Voltage Ultra-Thin SOI-LDMOS With Sectional Linearly Doped Drift Region
一种新型分段线性掺杂漂移区高压超薄SOI-LDMOS
DOI:10.1109/led.2019.2919074
发表时间:2019-07
期刊:IEEE Electron Device Letters
影响因子:4.9
作者:Zhang;Wentong;Li;Lu;Qiao;Ming;Zhan;Zhenya;Cheng;Shikang;Zhang;Sen;He;Boyong;Luo;Xiaorong;Li;Zhaoji;Zhang;Bo
通讯作者:Bo
Novel Superjunction LDMOS (>950 V) With a Thin Layer SOI
具有薄层 SOI 的新型超结 LDMOS (>950 V)
DOI:--
发表时间:2017
期刊:IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS
影响因子:4.9
作者:Wentong Zhang;Zhenya Zhan;Yang Yu;Shikang Cheng;Yan Gu;Sen Zhang;Xiaorong Luo;Zehong Li;Ming Qiao;Zhaoji Li;Bo Zhang
通讯作者:Bo Zhang
DOI:10.1109/ted.2018.2881293
发表时间:2019-01
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices
影响因子:3.1
作者:Wentong Zhang;Chunlan Lai;M. Qiao;Zhaoji Li;Bo Zhang
通讯作者:Wentong Zhang;Chunlan Lai;M. Qiao;Zhaoji Li;Bo Zhang
DOI:10.1109/led.2020.3009994
发表时间:2020-07
期刊:IEEE Electron Device Letters
影响因子:4.9
作者:Wentong Zhang;Junqing He;Shikang Cheng;Sen Zhang;Boyong He;M. Qiao;Zhaoji Li;Bo Zhang
通讯作者:Wentong Zhang;Junqing He;Shikang Cheng;Sen Zhang;Boyong He;M. Qiao;Zhaoji Li;Bo Zhang
功率半导体非完全雪崩击穿NFA新原理及其高临界场新器件研究
- 批准号:62274022
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:59万元
- 批准年份:2022
- 负责人:章文通
- 依托单位:
功率半导体器件新型MIS耐压层等势场调制基础理论与新结构
- 批准号:62074030
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:59万元
- 批准年份:2020
- 负责人:章文通
- 依托单位:
国内基金
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