超结器件在极端电热应力下的失效机理及加固技术研究

The reliability under electrothermal stress is critical for the application of superjunction devices. Therefore, we plan to intensively study the superjunction device's failure mechanism, failure prediction methode and strengthening technology under the extreme electrothermal stress condition, that is, unclamped inductive switching (UIS). A dynamic charge-imbalance model will be built and a time-dependent poisson equation will be provided to analyze the influence of instantaneous extra carriers on the electrical properties, such as electrical field distribution and dynamic avalanche breakdown, of the superjunction structures with different initial doping condition. An electrothermic coupling device-circuit mixed simulation method will be used to simulate the failure process under UIS condition. In order to improve simulation accuracy, we will study the thermal generation and thermal transmission in the superjunction device under electrical stress and then correct the thermal-dependent models used in the simulation. Novel superjunction structures with optimized electrical distribution and avalanche current path in the drift region will be proposed to improve the ruggedness under UIS condition. And the novel structures will be fabricated and tested. In a whole, the dynamic charge-imbalance model based on device physics has important scientific valuable, and the electrothermic coupling simulation method and the novel structures have significant application value for improving the superjunction device's reliability.

电热应力下的可靠性对超结器件的应用至关重要。本项目针对非箝位感性负载开关过程（UIS）这一最极端电热应力条件，对超结器件的失效机理及加固技术开展三项创新性研究：①建立动态电荷失衡模型，通过求解耐压层含时泊松方程，分析不同初始电荷匹配状态下，雪崩过程中瞬时附加载流子对耐压层电场分布、动态雪崩击穿电压等电学特性的影响，揭示UIS失效机制。②建立电热耦合的器件-电路混合仿真法，模拟超结器件UIS失效过程，克服前人工作忽略了超结器件与常规器件热分布差异的问题，在研究器件内部的热产生及热传递的基础上，设置温度相关模型，并通过实验数据校准提高模拟准确性。③提出抗UIS失效加固的超结器件新结构，通过耐压层电场的设计优化雪崩电流路径;进行新结构关键制备技术研究。对超结器件UIS失效的物理层面的剖析及模型的建立，具有重要的科学价值；电热耦合模拟法和加固新技术，对于提高超结器件的可靠性具有重要的应用价值。

功率DMOS器件是目前应用最为广泛的新型功率器件。但常规DMOS器件的导通电阻会随耐压的增长呈2.5次方关系迅速增加，导致功耗激增。超结DMOS打破了这一限制关系，改善了导通电阻和耐压之间的制约关系，可同时实现低通态功耗和高阻断电压，因此迅速在各种高能效场合取得应用，市场前景非常广泛。解决系统应用中的可靠性问题，是超结DMOS大规模应用的前提。耐压原理上的区别决定了超结DMOS的动态特性和可靠性与传统DMOS存在差异，亟需合理的理论模型和科学的方法来研究和模拟超结器件的特殊失效机制，在器件设计阶段就对其可靠性作出评估，指导器件的优化。.本项目从超结器件的特殊耐压原理出发，以最极端电热应力条件下发生的失效作为研究切入点，分析失效机理。取得的成果包括：（1）建立了动态电荷失衡模型，揭示以超结器件为代表的电荷平衡类器件UIS失效的物理机制；（2）建立了电热耦合的器件-电路混合仿真法，有效模拟超结器件UIS失效过程，预测器件的抗UIS失效能力，与实测结果吻合度较好；（3）提出了基于漂移区电场及雪崩电流路径优化的抗UIS失效加固超结DMOS新结构，并通过实验制备了耐压900V的超结DMOS器件样品。测试结果表明，新结构在不影响器件动静态电学参数的前提下，获得了高雪崩耐量（Eas>200mJ），具有高可靠性。.本项目为功率半导体器件领域的应用基础研究，符合我国当前“节能减排”的新能源发展战略。研究具有重要的科学价值，从器件物理的层面入手研究可靠性问题，将丰富现有的超结理论，由于理论研究将抓住电荷平衡类器件的共同物理本质，因此研究思路和方法可进一步推广至超结器件以外的其它电荷平衡类器件和结构，具有一定的普适性。本研究也具有很好的应用价值，提出的失效预测方法和加固技术，对于提高器件性能、缩短设计周期具有重要意义。