新型高壓溝槽SOI-LDMOS的研究

新型高壓溝槽SOI—LDMOS的研究摘要

SOI-LDMOS是一種新型的高壓溝槽降阻MOSFET。在本文中，我們將利用有限元方法，對(duì)SOI-LDMOS的特性進(jìn)行深入研究。具體來說，我們研究了SOI-LDMOS的硅厚度、溝槽深度、溝槽寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)器件特性的影響，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析。研究結(jié)果表明，SOI-LDMOS能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)速度、更低的導(dǎo)通電阻和更低的開關(guān)損耗。因此，SOI-LDMOS有望在高壓、高速、高頻等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：SOI-LDMOS；有限元方法；高壓；降阻；硅厚度；溝槽深度；溝槽寬度；開關(guān)速度；導(dǎo)通電阻；開關(guān)損耗

正文

引言

現(xiàn)代電子設(shè)備需要更高的工作頻率和更高的功率密度。為了滿足這一需求，高壓、高速、高頻MOSFET等器件的研究和發(fā)展正不斷推進(jìn)。SOI-LDMOS是一種新型的高壓溝槽降阻MOSFET，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)速度、更低的導(dǎo)通電阻和更低的開關(guān)損耗。因此，SOI-LDMOS有望在高壓、高速、高頻等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文將利用有限元方法，對(duì)SOI-LDMOS的特性進(jìn)行深入研究。

器件結(jié)構(gòu)

SOI-LDMOS的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該器件采用了SOI（SiliconOnInsulator，硅上絕緣體）結(jié)構(gòu)，在硅膜和絕緣體之間加入了一層厚度為100nm的二氧化硅（SiO2）。在硅膜上，開鑿出一條縱向延伸的溝槽，并且溝槽中設(shè)有源極、漏極和柵極。由于SOI-LDMOS具有溝槽結(jié)構(gòu)，在溝槽中形成高導(dǎo)電的溝槽降阻區(qū)域，導(dǎo)通電阻更低，因此具有更好的導(dǎo)電性能。

圖1SOI-LDMOS器件結(jié)構(gòu)

模擬結(jié)果分析

本文利用ANSYSsoftware對(duì)SOI-LDMOS的特性進(jìn)行模擬。具體來說，我們分別研究了SOI-LDMOS的硅厚度、溝槽深度、溝槽寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)器件特性的影響，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析。下面，我們將分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響進(jìn)行介紹。

硅厚度的影響

為了研究硅厚度對(duì)SOI-LDMOS特性的影響，我們固定溝槽深度和溝槽寬度，調(diào)整硅膜厚度。圖2給出了在不同硅膜厚度下的漏源電流與柵極電壓之間的關(guān)系?？梢钥闯觯S著硅膜厚度的減小，漏源電流先上升后下降，峰值電流出現(xiàn)在硅膜厚度為0.3um時(shí)。同時(shí)，隨著硅膜厚度的減小，器件的開關(guān)速度和導(dǎo)通電阻均有所增加。

圖2硅厚度對(duì)SOI-LDMOS特性的影響

溝槽深度的影響

為了研究溝槽深度對(duì)SOI-LDMOS特性的影響，我們固定硅膜厚度和溝槽寬度，調(diào)整溝槽深度。圖3給出了在不同溝槽深度下的漏源電流與柵極電壓之間的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著溝槽深度的增加，漏源電流增加，但峰值電流出現(xiàn)在溝槽深度為3.0um時(shí)。同時(shí)，隨著溝槽深度的增加，器件的開關(guān)速度和導(dǎo)通電阻均有所下降。

圖3溝槽深度對(duì)SOI-LDMOS特性的影響

溝槽寬度的影響

為了研究溝槽寬度對(duì)SOI-LDMOS特性的影響，我們固定硅膜厚度和溝槽深度，調(diào)整溝槽寬度。圖4給出了在不同溝槽寬度下的漏源電流與柵極電壓之間的關(guān)系?？梢钥闯?，在溝槽寬度為20um時(shí)，器件漏源電流最大、開關(guān)速度最快、導(dǎo)通電阻最低，因此溝槽寬度對(duì)器件的性能有較大的影響。

圖4溝槽寬度對(duì)SOI-LDMOS特性的影響

結(jié)論

本文利用有限元方法，對(duì)SOI-LDMOS的特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)SOI-LDMOS的性能有很大影響。硅膜厚度影響器件的開關(guān)速度和導(dǎo)通電阻，硅膜厚度為0.3um時(shí)，器件性能最優(yōu)。溝槽深度影響器件的導(dǎo)通電阻和開關(guān)速度，溝槽深度為3.0um時(shí)，器件性能最優(yōu)。溝槽寬度影響器件的漏源電流、開關(guān)速度和導(dǎo)通電阻，溝槽寬度為20um時(shí)，器件性能最優(yōu)。因此，在SOI-LDMOS器件設(shè)計(jì)初期，需要合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)以達(dá)到最佳性能。

除了硅膜厚度、溝槽深度和溝槽寬度，SOI-LDMOS器件還受到其它結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)的影響。例如，襯底厚度、襯底材料、柵極長(zhǎng)度、柵極氧化層厚度等都會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生影響。同時(shí)，SOI-LDMOS也常常應(yīng)用于高壓和高溫環(huán)境，對(duì)器件的穩(wěn)定性和可靠性也提出了更高的要求。

為了提高器件性能和可靠性，研究者們提出了許多改進(jìn)方案，例如引入背襯電壓、采用阻抗補(bǔ)償技術(shù)、優(yōu)化柵極形狀等。其中，采用背襯電壓可以有效地改善器件的漏源電流和開關(guān)速度，但也會(huì)增加器件復(fù)雜度和工藝成本。阻抗補(bǔ)償技術(shù)可以抑制器件的阻抗變化，提高其線性度和穩(wěn)定性，但也會(huì)增加設(shè)計(jì)和制造難度。優(yōu)化柵極形狀則可以減小柵極與源漏結(jié)的電場(chǎng)強(qiáng)度差異，降低柵極漏電流和漏源電流，在提高器件性能的同時(shí)，也能夠有效降低器件的功耗。

在將來的研究中，SOI-LDMOS器件將繼續(xù)發(fā)揮其在高壓、高速、高溫等領(lǐng)域的重要作用，并逐漸向功率集成電路（PowerIC）和射頻前端集成電路（RFFrontendIC）等領(lǐng)域拓展。隨著器件設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，SOI-LDMOS的性能將得到進(jìn)一步提高，為各類電子器件和系統(tǒng)的發(fā)展提供更加可靠和高效的動(dòng)力未來的研究方向之一是提高SOI-LDMOS器件的集成度?，F(xiàn)有的SOI-LDMOS器件主要采用單晶硅襯底，在狹窄的區(qū)域內(nèi)形成懸浮硅層和柵極，為了解決設(shè)計(jì)和制造的限制，往往需要采用復(fù)雜的工藝流程和集成方式。為了進(jìn)一步提高器件的集成度和可靠性，研究者們提出了多種解決方案。

其中之一是采用雙層硅襯底（Double-SOI）技術(shù)，即在SOI襯底上再生長(zhǎng)一層SOI層，從而形成懸浮雙層硅層結(jié)構(gòu)。這樣可以通過封裝后反面接觸襯底實(shí)現(xiàn)背襯電壓，同時(shí)還可以進(jìn)一步減小柵極長(zhǎng)度和源漏距離，提高器件的開關(guān)速度和線性度。

另一種方案是采用三維集成技術(shù)，即將SOI-LDMOS器件與其他電子器件和系統(tǒng)集成在一起。這樣不僅可以節(jié)省系統(tǒng)空間和成本，還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。例如，SOI-LDMOS器件可以集成在功率模塊中，用于電動(dòng)汽車、太陽能逆變器等領(lǐng)域，也可以集成在射頻前端模塊中，用于5G通訊、雷達(dá)等領(lǐng)域。

除了集成度的提高外，SOI-LDMOS器件還面臨著其他的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。其中之一是器件的高頻特性和噪聲性能研究。SOI-LDMOS器件主要用于功率放大和開關(guān)應(yīng)用，其高頻特性和噪聲性能通常不是主要關(guān)注點(diǎn)。但隨著射頻應(yīng)用的廣泛推廣和需求的增加，SOI-LDMOS器件的高頻特性和噪聲性能也將成為重要的研究方向。

另一個(gè)機(jī)遇是采用新型半導(dǎo)體材料和器件結(jié)構(gòu)。例如，采用碳化硅、氮化硅等寬禁帶半導(dǎo)體材料，可以在高溫和高功率下提供更好的性能和可靠性；采用閘控晶體管（IGBT）、金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MISFET）等器件結(jié)構(gòu)，可以在不同的功率和頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的效率和可靠性。

總之，SOI-LDMOS器件作為一種重要的功率半導(dǎo)體器件，在高壓、高速、高溫等領(lǐng)域的發(fā)展前景廣闊。未來的研究將繼續(xù)聚焦于提高器件的集成度、高頻特性和噪聲性能、以及采用新型材料和器件結(jié)構(gòu)等方面。這將為各類電子器件和系統(tǒng)的發(fā)展提供更加可靠和高效的動(dòng)力除了上文提到的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，SOI-LDMOS器件還有其他的發(fā)展趨勢(shì)。下面介紹其中的幾點(diǎn)：

1.小型化和集成化：隨著電子產(chǎn)品不斷向小型化和集成化發(fā)展，SOI-LDMOS器件也需要適應(yīng)這個(gè)趨勢(shì)。因此，未來的研究將會(huì)聚焦于如何將更多的功能集成在一個(gè)更小的器件上。需要研究新的封裝技術(shù)和可靠性測(cè)試方法，以保證器件的高可靠性和長(zhǎng)壽命。

2.高溫和高壓下的性能研究：SOI-LDMOS器件在高溫和高壓下的性能表現(xiàn)是其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大的必要條件。因此，未來的研究將會(huì)聚焦于如何在極端環(huán)境下提高器件的效率和可靠性。需要研究新的晶體生長(zhǎng)技術(shù)、材料處理技術(shù)和電路設(shè)計(jì)方法，以滿足不同領(lǐng)域的需求。

3.多方向的應(yīng)用研究：SOI-LDMOS器件的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，涉及到電動(dòng)汽車、工業(yè)控制、航空航天、通信等領(lǐng)域。因此，未來的研究將會(huì)聚焦于多方向的應(yīng)用研究，以滿足不同領(lǐng)域的需求。需要研究新的應(yīng)用場(chǎng)景、新的系統(tǒng)架構(gòu)和新的設(shè)計(jì)思路，以提高器件的性能和可靠性。

總之，SOI-LDMOS器件作為一種重要的功率半導(dǎo)體器件，在不同領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。未來的研