超宽禁带半导体α-Ga2O3肖特基二极管仿真研究

氧化镓(Ga₂O₃)作为一种新型的超宽禁带半导体材料,与目前常用的半导体材料SiC和GaN相比,具有更大的禁带宽度、更高的击穿场强等优良特性。设计了一种基于α-Ga₂O₃的垂直型肖特基二极管(SBD),采用场板终端结构降低阳极边缘电场强度,研究了不同绝缘材料下阳极附近的电场分布,并探讨了场板结构与长度对其击穿特性的影响。仿真结果表明,在选取HfO₂作为α-Ga₂O₃垂直型SBD场板结构的绝缘材料时,场板结构可以增大该器件的反向击穿电压,最大反向击穿电压可达约1 100 V,对于现实中制备α-Ga₂O₃ SBD具有非常重要的参考意义。     

阳极刻蚀提升Ga2O3肖特基势垒二极管击穿特性

提出了一种采用阳极刻蚀提升Ga₂O₃肖特基势垒二极管(SBD)击穿特性的新方法。基于氢化物气相外延(HVPE)法生长的Ga₂O₃材料制备了Ga₂O₃纵向SBD。在完成阳极制备后，对阳极以外的Ga₂O₃漂移区进行了不同深度的刻蚀，刻蚀完成后，在器件表面生长了SiO₂介质层，随后制备了场板结构。测试结果显示，刻蚀后器件的比导通电阻小幅上升，而反向击穿电压均大幅提升。刻蚀深度为300 nm的β-Ga₂O₃ SBD具有最优特性，其比导通电阻(R_{on, sp})为2.5 mΩ·cm²,击穿电压(V_br)为1 410 V,功率品质因子(FOM)为795 MW/cm²。该研究为高性能Ga₂O₃ SBD的制备提供了一种新方法。     

具有多场限环结构的SiC LDMOS击穿特性研究

场限环终端结构因能够显著提高击穿电压而被广泛应用于半导体功率器件。基于数值模拟软件建立了具有多场限环结构的SiC LDMOS仿真模型。分别仿真场限环各项参数和漂移区掺杂浓度与击穿电压的关系。提取器件击穿时的表面电场，从表面电场分布均匀程度和峰值电场两方面分析击穿原理。研究结果表明，当漂移区掺杂浓度一定时，击穿电压随场限环数量、结深和掺杂浓度的增大而先增大后减小；当场限环参数一定时，击穿电压随漂移区掺杂浓度的增大而先增大后减小；经验证在相同条件下，线性环间距设计的LDMOS击穿特性优于等环间距设计，且漂移区掺杂浓度越高，环掺杂浓度和环结深越小，失效场限环数量越多。     

3200V双p阱终端VDMOS击穿特性仿真研究

基于场限环终端技术理论，提出了一种具有双p阱结构的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(VDMOS)。通过数值模拟软件分别仿真了p阱各项参数和漂移区掺杂浓度与击穿电压的关系，提取器件击穿时的表面电场并分析其击穿机理。研究结果表明，当漂移区掺杂浓度一定时，击穿电压随p阱数量和结深的增大而增大，随p阱掺杂浓度的增大而先增大后减小；当p阱参数一定时，击穿电压随漂移区掺杂浓度的增大而先增大后减小。经优化器件各项参数，击穿电压(V_B)达到3 200 V,与传统平面栅型VDMOS相比提升了305%,终端有效长度仅为26μm,表面电场最大值为1.21×10⁶ V/cm,且分布相对均匀，终端稳定性和可靠性高。     

增强型β-Ga2O3/4H-SiC异质结VDMOS的设计与研究

由于β-Ga₂O₃材料难以形成P型掺杂，目前β-Ga₂O₃功率器件大多为无结耗尽型。为了解决β-Ga₂O₃器件难以形成增强型的问题，提出了一种具有β-Ga₂O₃/4H-SiC异质结的纵向双扩散金属-氧化物-半导体场效应晶体管(VDMOS)。添加P型4H-SiC后，利用形成的PN结的单向导通性得到了正阈值电压，实现了增强型器件。使用Sentaurus TCAD仿真软件模拟了器件结构并研究了其电学特性，通过调节SiC厚度、SiC沟道浓度、外延层厚度和外延层浓度四个重要结构参数，对器件的功率品质因数进行优化设计。优化后的器件具有1.62 V的正阈值电压、39.29 mS/mm的跨导以及5.47 mΩ·cm²的比导通电阻。最重要的是器件的关态击穿电压达到了1838 V,功率品质因数高达617 MW/cm²。结果表明，该β-Ga₂O₃/...     

埋层低掺杂漏SOI高压器件的击穿电压

提出一种具有埋层低掺杂漏(BLD)SOI高压器件新结构。其机理是埋层附加电场调制耐压层电场,使漂移区电荷共享效应增强,降低沟道边缘电场,在漂移区中部产生新的电场峰。埋层电中性作用增加漂移区优化掺杂浓度,导通电阻降低;低掺杂漏区在漏极附近形成缓冲层,改善漏极击穿特性。借助二维半导体仿真器MEDICI,研究漂移区浓度和厚度对击穿电压的影响,获得改善击穿电压和导通电阻折中关系的途径。在器件参数优化理论的指导下,成功研制了700V的SOI高压器件。结果表明:BLD SOI结构击穿电压由均匀漂移区器件的204V提高到275V,比导通电阻下降25%。     

4H-SiC TSOB结势垒肖特基二极管静态特性

为增强器件的反向耐压能力,降低器件的漏电功耗,采用Silvaco TCAD对沟槽底部具有SiO₂间隔的结势垒肖特基二极管(TSOB)的器件特性进行了仿真研究。通过优化参数来改善导通压降(V_F)-反向漏电流(I_R)和击穿电压的折衷关系。室温下,沟槽深度为2.2 μm时,器件的击穿电压达到1 610 V。正向导通压降为2.1 V,在V_F=3 V时正向电流密度为199 A/cm²。为进一步改善器件的反向阻断特性,在P型多晶硅掺杂的有源区生成一层SiO₂来优化漂移区电场分布,此时改善的器件结构在维持正向导通压降2.1 V的前提下,击穿电压达到1 821 V,增加了13%。在1 000 V反向偏置电压下,反向漏电流密度比普通结构降低了87%,有效降低了器件的漏电功耗。普通器件结构的开/关电流比为2.6×10³(1 V/-500 V),而改善的结构为1.3×10⁴(1 V/-500 V)。     

表面注入D-RESURF器件耐压模型

建立表面注入双重降低表面电场(D-RESURF)结构击穿电压模型。D-RESURF器件在衬底纵向电场和Pb区附加电场的影响下,漂移区电荷共享效应增强,优化漂移区掺杂浓度增大,器件导通电阻降低。分析漂移区浓度和厚度对击穿电压的影响,获得改善击穿电压和导通电阻折中关系的途径。在满足最优表面电场和完全耗尽条件下,导出吻合较好的二维RESURF判据。在理论的指导下,成功研制出900 V的D-RESURF高压器件。     

Bi2O3掺杂Ba0.85Ca0.15(Zr0.1Ti0.88Mn0.02)O3压电陶瓷及微型气泵的制备与性能研究

采用固相法制备了Bi₂O₃掺杂的Ba_0.85Ca_0.15(Zr_0.1Ti_0.88Mn_0.02)O₃压电陶瓷，研究了体系的微观结构，以及Bi₂O₃掺杂量对体系压电性能的影响；将体系最优性能的样品装配成微型气泵，并与日本村田的MZB1001T02微型泵进行了性能对比。研究表明，Bi₂O₃掺杂Ba_0.85Ca_0.15(Zr_0.1Ti_0.88Mn_0.02)O₃的无铅压电陶瓷呈单一的钙钛矿结构，少量的Bi₂O₃掺杂使体系保持了三方-四方相共存的特性。当掺杂量(质量分数)为0.05%时，样品晶粒分布均匀，介电和压电性能最优，即ε^T_33...     

用于功率变换的高击穿增强型AlGaN/GaN HEMTs

首次采用CF4等离子体技术实现可用于功率变换的增强性AlGaN/GaN功率器件。实验结果表明,当AlGaN/GaN器件经功率150W和时间150s等离子体轰击后,器件阈值电压从-4V被调制约为0.5V,表现为增强型。当漂移区LGD从5μm增加到15μm,器件的击穿电压从50V迅速增大到400V,电压增幅达350V。采用长度为3μm源场板结构将器件击穿电压明显地提高,击穿电压增加约为475V,且有着比硅基器件更低的比导通电阻,约为2.9mΩ.cm2。器件模拟结果表明,因源场板在远离栅边缘的漂移区中引入另一个电场强度为1.5MV/cm的电场,从而有效地释放了存在栅边缘的电场,将高达3MV/cm的电场减小至1MV/cm。微波测试结果表明,器件的特征频率fT和最大震荡频率fMAX随Vgs改变,正常工作时两参数均在千兆量级。栅宽为1mm的增强型功率管有较好的交直流和瞬态特性,正向电流约为90mA。故增强型AlGaN/GaN器件适合高压高频大功率变换的应用。     

An Analytical Model for the Surface Electrical Field Distribution and Optimization of Bulk-Silicon Double RESURF Devices

提出了体硅double RESURF器件的表面电场和电势的解析模型.基于分区求解二维Poisson方程,获得double RESURF表面电场的解析表达式.借助此模型,研究了p-top区的结深,掺杂浓度和位置,漂移区的厚度和掺杂浓度,及衬底浓度对表面电场的影响;计算了漂移区长度,掺杂浓度和击穿电压的关系.从理论上揭示了获得最大击穿电压的条件.解析结果、验证结果和数值结果吻合良好.     

体硅Double RESURF器件表面电场解析模型及优化设计

提出了体硅double RESURF器件的表面电场和电势的解析模型.基于分区求解二维Poisson方程,获得double RESURF表面电场的解析表达式.借助此模型,研究了p-top区的结深,掺杂浓度和位置,漂移区的厚度和掺杂浓度,及衬底浓度对表面电场的影响;计算了漂移区长度,掺杂浓度和击穿电压的关系.从理论上揭示了获得最大击穿电压的条件.解析结果、验证结果和数值结果吻合良好.     

Al2O3厚度对SAW传感器声波模式及性能的影响

该文采用多物理场耦合的有限元模型,探究了保护层Al₂O₃厚度对以LGS为压电基底、Pt为电极的声表面波(SAW)高温传感器中声波特性及器件性能的影响。结果表明,随着Al₂O₃保护层厚度的增加,声表面波在L波方向的振动位移增加,在SH波和SV波方向的振动位移减弱,当保护层归一化厚度为6.25%时,其能量向衬底内部扩散;当保护层归一化厚度为18.75%时,Rayleigh波消失,此时为体波BAW模式;增加Al₂O₃保护层,波速v、机电耦合系数K²显著升高;一阶频率温度系数τ_f,1和转换温度随保护层厚度的增加而升高。利用Al₂O₃薄膜对SAW温度传感器进行结构优化,为了获得良好的综合性能,归一化厚度应该在0.94%附近。     

AlGaN/GaN HEMT中电场分布的ATLAS模拟

用Silvaco的ATLAS软件模拟了栅场板参数对AlGaN/GaN HEMT中电场分布的影响.模拟结果表明,场板的加入改变了器件中电势的分布情况,降低了栅边缘处的电场峰值,改善了器件的击穿特性;场板长度(LFP,length of field plate)、场板与势垒层间的介质层厚度t等对电场的分布影响很大.随着LFP的增大、t的减小,栅边缘处的电场峰值Epeak1明显下降,对提高器件的耐压非常有利.通过对相同器件结构处于不同漏压下的情况进行模拟,发现当器件处于高压下时,场板的分压作用更加明显,说明场板结构更适合于制备用作电力开关器件的高击穿电压AlGaN/GaN HEMT.     

柔性HfO2/Ta2O5叠层栅介质ZnO薄膜晶体管

为了有效提高柔性薄膜晶体管的电学性能,室温条件下,在聚酰亚胺(PI)衬底上使用H_fO₂、Ta₂O₅两种高介电常数材料相结合的叠层结构代替单层Ta₂O₅作为栅电介质,探究其对器件电学性能的影响。采用磁控溅射法制备薄膜,研究了叠层栅电介质结构中Ta₂O₅层在不同溅射时长、不同氧氩比条件下对于器件电学性能的影响,并进行H_fO₂/Ta₂O₅叠层栅电介质器件与Ta₂O₅单层栅电介质器件的比较。结果表明,Ta₂O₅栅电介质层在溅射时长为1 h、氧氩比为10∶90时,器件电学性能达到最佳。叠层栅电介质结构的引入显著提高了器件电学性能,电流开关比为1.27×10⁶,阈值电压为9.1 V,亚阈值摆幅为0.54 V/decade,载流子迁...     

薄外延阶梯掺杂漂移区RESURF耐压模型

提出薄外延阶梯掺杂漂移区RESURF结构的耐压解析模型。借助求解二维Po isson方程,获得薄外延阶梯掺杂漂移区的二维表面电场和击穿电压的解析表达式。基于此耐压模型研究了不同阶梯漂移区数(n=1、2、3、5)的击穿特性,计算了击穿电压与结构参数的关系,其解析结果与数值结果吻合较好。在相同长度下,阶梯掺杂漂移区结构(n=3)击穿电压由均匀漂移区(n=1)的200 V提高到250 V,增加25%。该模型可用于薄外延阶梯掺杂和线性掺杂漂移区RESURF器件的设计优化。     

非对称电阻场板场效应器件击穿特性仿真分析

利用TCAD仿真研究一种二维紧耦合电阻场板电流调制原理下的物理模型与最优化结构。通过优化关键工艺与材料参数,改善器件漂移区尖峰电场,最终在相同漂移区掺杂下击穿电压较一维PN结理论击穿电压提升273%,相同归一化击穿电压10%变化范围下,漂移区电荷变化允许冗余范围比现有传统PN超结拓宽15倍。相较于对称电阻场板场效应器件,在现有工艺下非对称优化电阻场板场效应器件能够更好的实现结构小型化与高密度的设计。     

非均匀厚度漂移区SOI高压器件及其优化设计

提出非均匀厚度漂移区SOI高压器件新结构及其优化设计方法. 非均匀厚度漂移区调制SOI层的电场并增强埋层电场,从而提高器件击穿电压. 考虑到这种调制效应,提出解析模型用以优化设计该新器件的结构参数. 借助解析模型,研究了电场分布和器件击穿电压与结构参数的关系. 数值仿真证实了解析模型的正确性. 具有3阶梯的非均匀厚度漂移区SOI器件耐压为常规结构SOI器件的2倍,且保持较低的导通电阻.     

一种对称极化掺杂增强型高压GaN HFET

针对传统AlGaN/GaN HFET击穿电压远低于理论值,以及阈值电压与开态电流之间存在制约关系的问题,提出一种对称极化掺杂增强型高压GaN HFET。采用Al组分对称渐变的AlGaN势垒层,因极化梯度分别在正向渐变AlGaN层和逆向渐变AlGaN层中诱导产生了三维电子气(3DEG)和三维空穴气(3DHG)。利用3DHG,阻断了源极与3DEG之间的纵向导通沟道,实现了新的增强型模式。同时,正向渐变AlGaN层的高浓度3DEG显著提升了器件输出电流。器件关断时,极化电荷形成的极化结有助于耗尽漂移区,优化了电场分布,提升了器件耐压。与传统AlGaN/GaN HFET相比,新器件的击穿电压从39 V提高至919 V,饱和漏电流提升了103.5%。     

非均匀厚度漂移区SOI高压器件及其优化设计

提出非均匀厚度漂移区SOl高压器件新结构及其优化设计方法.非均匀厚度漂移区调制SOI层的电场并增强埋层电场,从而 提高器件击穿电压.考虑到这种调制效应.提出解析模型用以优化设计该新器件的结构参数.借助解析模型,研究了电场分布和器件击穿电压与结构参数的关系.数值仿真'证实了解析模型的正确性.具有3阶梯的非均匀厚度漂移区SOl器件耐压为常规结构SOl器件的2倍,且保持较低的导通电阻.