一種場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，涉及電力電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，解決了現(xiàn)有技術(shù)中場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的問題。該方法包括：確定初始的場限環(huán)的環(huán)深、環(huán)濃度、環(huán)寬度和環(huán)個(gè)數(shù)；設(shè)定初始的場限環(huán)間距分布；將相鄰的至少兩個(gè)場限環(huán)分為一組，從內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸增加各組場限環(huán)內(nèi)的間距；從外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐漸增加各場限環(huán)之間的間距；判斷器件擊穿時(shí)各場限環(huán)的電場分布是否均勻以及是否同時(shí)獲得與器件電壓等級(jí)要求對(duì)應(yīng)的擊穿電壓；若是，則獲得場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的場限環(huán)間距分布；否則返回執(zhí)行上述步驟。本發(fā)明適用于在場限環(huán)較多時(shí)對(duì)場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【專利說明】一種場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]電力電子器件指在各種電力電子電路中起整流或開關(guān)作用的有源電子器件。目前絕大多數(shù)的電力電子器件都是用硅(Si)材料做成的，另外，利用碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導(dǎo)體材料制備的電力電子器件，因其優(yōu)異的材料特性，已成為電力電子技術(shù)最為重要的發(fā)展方向。在電力電子器件的設(shè)計(jì)和制備中，為了降低結(jié)邊緣電場，提高器件的實(shí)際擊穿電壓，各種結(jié)終端技術(shù)在電力電子器件的結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要包括場板(FP, Field Plate)、場限環(huán)(FLR, Field Limiting Ring)、結(jié)終端延伸(JTE, Junct1nTerminat1n Extens1n)等結(jié)終端結(jié)構(gòu)。
[0003]其中，場限環(huán)結(jié)構(gòu)在S1、SiC等電力電子器件的制備中具有非常廣泛的應(yīng)用，其主結(jié)和場限環(huán)可同時(shí)形成，因此具有工藝簡單的特點(diǎn)。在場限環(huán)結(jié)構(gòu)中，主結(jié)與場限環(huán)的間距、環(huán)寬度、環(huán)個(gè)數(shù)、環(huán)深和環(huán)濃度都會(huì)影響到擊穿電壓的大小。因此，場限環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化會(huì)涉及較多的參數(shù)，針對(duì)某一環(huán)深和環(huán)濃度，關(guān)鍵的參數(shù)優(yōu)化包括環(huán)間距、環(huán)寬度和環(huán)個(gè)數(shù)。對(duì)于多個(gè)場限環(huán)系統(tǒng)，由于各參數(shù)之間為相互制約的關(guān)系，場限環(huán)的優(yōu)化是一個(gè)非常復(fù)雜和龐大的系統(tǒng)工程，每增加一個(gè)環(huán)，需對(duì)各參數(shù)進(jìn)行重新優(yōu)化。一般來說，在具有某確定的環(huán)深、環(huán)濃度、環(huán)寬和環(huán)個(gè)數(shù)的情況下，為了獲得較高的擊穿電壓，各場限環(huán)與環(huán)的間距由結(jié)邊緣向外方向呈逐漸增大的趨勢。如果各場限環(huán)間距合適，使得擊穿發(fā)生時(shí)，主結(jié)與各場限環(huán)結(jié)的電場強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到臨界擊穿場強(qiáng)，則器件可獲得較高的擊穿電壓。特別是相對(duì)于Si器件，由于SiC器件具有較薄的漂移層及較淺的結(jié)，因此，其擊穿電壓受各個(gè)場限環(huán)間距的影響更為敏感。但對(duì)于具有較多場限環(huán)結(jié)終端的結(jié)構(gòu)來說，其各場限環(huán)間距的優(yōu)化工作量非常龐大。例如，對(duì)于1200VU700V電壓等級(jí)以上的SiC電力電子器件，其場限環(huán)個(gè)數(shù)一般為20?30個(gè)，對(duì)于更高電壓等級(jí)的3300V以上的器件，其場限環(huán)個(gè)數(shù)一般為30個(gè)環(huán)及以上。
[0004]在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在如下技術(shù)問題:
由于每增加一個(gè)環(huán)，各場限環(huán)的間距需要重新調(diào)整，即η個(gè)場限環(huán)的優(yōu)化環(huán)間距無法應(yīng)用在η+1個(gè)場限環(huán)的情況。因此，在具有較多場限環(huán)的情況下，仍然需要重新逐一定義和調(diào)整各場限環(huán)的間距，以獲得優(yōu)化的參數(shù)。因此，需要進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)，才能得到優(yōu)化的環(huán)間距參數(shù)，優(yōu)化過程十分復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能夠在場限環(huán)較多的情況下，簡化場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程，并且可獲得較完備的優(yōu)化結(jié)果。
[0006]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明提供一種場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述方法包括:
步驟S11、根據(jù)器件的電壓等級(jí)要求，確定初始的場限環(huán)的環(huán)深、環(huán)濃度、環(huán)寬度和環(huán)個(gè)數(shù)；
步驟S12、設(shè)定初始的場限環(huán)間距分布，使得器件擊穿時(shí)最高電場分布在最外側(cè)場限環(huán)處；
步驟S13、將相鄰的至少兩個(gè)場限環(huán)分為一組，從內(nèi)側(cè)向外側(cè)，逐漸增加各組場限環(huán)內(nèi)的間距，使得器件擊穿時(shí)最高電場分布在最外側(cè)場限環(huán)處；
步驟S14、從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，逐漸增加各場限環(huán)之間的間距；
步驟S15、判斷器件擊穿時(shí)各場限環(huán)的電場分布是否均勻以及是否同時(shí)獲得與器件電壓等級(jí)要求對(duì)應(yīng)的擊穿電壓；
若器件擊穿時(shí)各場限環(huán)的電場分布均勻且同時(shí)獲得與器件電壓等級(jí)要求對(duì)應(yīng)的擊穿電壓，則執(zhí)行步驟S16，否則返回執(zhí)行步驟Sll至S15 ；
步驟S16、獲得場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的場限環(huán)間距分布。
[0007]可選地，所述設(shè)定初始的場限環(huán)間距分布包括:
設(shè)定初始的場限環(huán)間距分布為等間距分布，使得器件擊穿時(shí)最高電場分布在最外側(cè)場限環(huán)處。
[0008]可選地，所述將相鄰的至少兩個(gè)場限環(huán)分為一組包括:
根據(jù)環(huán)個(gè)數(shù)和初始的場限環(huán)間距分布的不同，將相鄰的2?10個(gè)場限環(huán)分為一組。
[0009]可選地，各組場限環(huán)的個(gè)數(shù)相同。
[0010]進(jìn)一步地，所述從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，逐漸增加各場限環(huán)之間的間距包括:
從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，依次增加相鄰兩個(gè)場限環(huán)之間的間距，降低器件擊穿時(shí)相鄰兩個(gè)場限環(huán)中外側(cè)場限環(huán)的電場強(qiáng)度，使得器件擊穿時(shí)相鄰兩個(gè)場限環(huán)中外側(cè)場限環(huán)與內(nèi)側(cè)場限環(huán)的電場分布接近，直至在器件擊穿時(shí)，各場限環(huán)的電場分布均勻。
[0011]本發(fā)明提供的場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將相鄰的至少兩個(gè)場限環(huán)分為一組，從內(nèi)側(cè)向外側(cè)，逐漸增加各組場限環(huán)內(nèi)的間距，然后從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，逐漸增加各場限環(huán)之間的間距，直至器件擊穿時(shí)各場限環(huán)的電場分布均勻且同時(shí)獲得與器件電壓等級(jí)要求對(duì)應(yīng)的擊穿電壓，獲得場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的場限環(huán)間距分布。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不需要對(duì)所有可能的場限環(huán)間距都進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)即可獲得場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化的環(huán)間距參數(shù)，特別是在場限環(huán)較多的情況下，能夠使場限環(huán)間距優(yōu)化的過程更加簡便，并且可獲得較完備的優(yōu)化結(jié)果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0013]圖1為本發(fā)明提供的場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法流程圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的器件的場限環(huán)間距優(yōu)化過程仿真結(jié)果示意圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的器件的場限環(huán)間距優(yōu)化過程仿真結(jié)果示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的器件的場限環(huán)間距優(yōu)化過程仿真結(jié)果示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0015]本發(fā)明實(shí)施例提供一種場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，如圖1所示，所述方法包括:
步驟S11、根據(jù)器件的電壓等級(jí)要求，確定初始的場限環(huán)的環(huán)深、環(huán)濃度、環(huán)寬度和環(huán)個(gè)數(shù)；
步驟S12、設(shè)定初始的場限環(huán)間距分布，使得器件擊穿時(shí)最高電場分布在最外側(cè)場限環(huán)處；
其中，所述初始的場限環(huán)間距分布可以為等間距分布，利于快速獲得滿足器件擊穿時(shí)最高電場分布在最外側(cè)場限環(huán)處要求的初始場限環(huán)間距。
[0016]步驟S13、將相鄰的至少兩個(gè)場限環(huán)分為一組，從內(nèi)側(cè)向外側(cè)，逐漸增加各組場限環(huán)內(nèi)的間距，使得器件擊穿時(shí)最高電場分布在最外側(cè)場限環(huán)處；
可選地，所述將相鄰的至少兩個(gè)場限環(huán)分為一組可以包括:
根據(jù)環(huán)個(gè)數(shù)和初始的場限環(huán)間距分布的不同，將相鄰的2?10個(gè)場限環(huán)分為一組。
[0017]可選地，各組場限環(huán)的個(gè)數(shù)相同。
[0018]步驟S14、從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，逐漸增加各場限環(huán)之間的間距；
進(jìn)一步地，所述從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，逐漸增加各場限環(huán)之間的間距可以包括:
從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，依次增加相鄰兩個(gè)場限環(huán)之間的間距，降低器件擊穿時(shí)相鄰兩個(gè)場限環(huán)中外側(cè)場限環(huán)的電場強(qiáng)度，使得器件擊穿時(shí)相鄰兩個(gè)場限環(huán)中外側(cè)場限環(huán)與內(nèi)側(cè)場限環(huán)的電場分布接近，直至在器件擊穿時(shí)，各場限環(huán)的電場分布均勻，以獲得器件較高的擊穿電壓。
[0019]具體地，首先，增加最外側(cè)場限環(huán)和次外側(cè)場限環(huán)之間的間距，降低器件擊穿時(shí)最外側(cè)場限環(huán)的電場強(qiáng)度，使其在器件擊穿時(shí)與次外側(cè)場限環(huán)的電場分布接近；然后，保持最外側(cè)場限環(huán)與次外側(cè)場限環(huán)的間距不變，增加次外側(cè)場限環(huán)與次次外側(cè)場限環(huán)之間的間距，使其在器件擊穿時(shí)與次次外側(cè)場限的電場分布接近；依此類推，直至在器件擊穿時(shí)，各個(gè)場限環(huán)的電場分布均勻，以獲得器件較高的擊穿電壓，從而獲得優(yōu)化的場限環(huán)參數(shù)。
[0020]步驟S15、判斷器件擊穿時(shí)各場限環(huán)的電場分布是否均勻以及是否同時(shí)獲得與器件電壓等級(jí)要求對(duì)應(yīng)的擊穿電壓；
若器件擊穿時(shí)各場限環(huán)的電場分布均勻且同時(shí)獲得與器件電壓等級(jí)要求對(duì)應(yīng)的擊穿電壓，則執(zhí)行步驟S16，否則返回執(zhí)行步驟Sll至S15 ；
步驟S16、獲得場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的場限環(huán)間距分布。
[0021]本發(fā)明提供的場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將相鄰的至少兩個(gè)場限環(huán)分為一組，從內(nèi)側(cè)向外側(cè)，逐漸增加各組場限環(huán)內(nèi)的間距，然后從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，逐漸增加各場限環(huán)之間的間距，直至器件擊穿時(shí)各場限環(huán)的電場分布均勻且同時(shí)獲得與器件電壓等級(jí)要求對(duì)應(yīng)的擊穿電壓，獲得場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的場限環(huán)間距分布。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不需要對(duì)所有可能的場限環(huán)間距都進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)即可獲得場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化的環(huán)間距參數(shù)，特別是在場限環(huán)較多的情況下，能夠使場限環(huán)間距優(yōu)化的過程更加簡便，并且可獲得較完備的優(yōu)化結(jié)果。
[0022]下面以基于SiC材料的電力電子器件的場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明，將本發(fā)明提供的方法應(yīng)用于1700V的SiC電力電子器件的25個(gè)場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0023]首先根據(jù)器件的電壓等級(jí)要求，確定某一較為合理的、經(jīng)驗(yàn)性的環(huán)深、環(huán)濃度、環(huán)寬度和環(huán)個(gè)數(shù)，設(shè)定某一合適的等間距的初始場限環(huán)間距分布。在此情況下對(duì)器件的擊穿特性進(jìn)行仿真，獲得器件擊穿發(fā)生時(shí)器件近表面處的電場分布仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，器件的峰值電場位于場限環(huán)的外側(cè)，此時(shí)器件的擊穿電壓約為830V。
[0024]在圖2的基礎(chǔ)上對(duì)場限環(huán)的間距進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，在場限環(huán)等間距分布的情況下，以每3個(gè)場限環(huán)為一組，從內(nèi)側(cè)向外側(cè)，逐漸增加每組場限環(huán)內(nèi)的間距，同時(shí)保證器件在擊穿時(shí)，最高電場分布在最外側(cè)場限環(huán)處。圖3給出了在圖2的基礎(chǔ)上，對(duì)場限環(huán)的間距進(jìn)一步優(yōu)化后，器件近表面處的電場分布仿真結(jié)果，由仿真結(jié)果可知，器件的擊穿電壓提高到了 1750V。
[0025]在圖3的基礎(chǔ)上對(duì)場限環(huán)的間距進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，逐漸增加各場限環(huán)之間的間距，以降低最外側(cè)場限環(huán)的電場強(qiáng)度，使得器件在擊穿時(shí)，各個(gè)場限環(huán)的電場分布較為均勻，以獲得較高的擊穿電壓。圖4給出了對(duì)場限環(huán)間距優(yōu)化完成后，器件擊穿時(shí)近表面區(qū)域的電場分布仿真結(jié)果。此時(shí)在主結(jié)和各場限環(huán)處的電場分布較為均勻，由仿真結(jié)果可知，器件的擊穿電壓提高至2200V，滿足對(duì)器件擊穿電壓的要求，同時(shí)較為接近材料的理想擊穿電壓。
[0026]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括: 步驟S11、根據(jù)器件的電壓等級(jí)要求，確定初始的場限環(huán)的環(huán)深、環(huán)濃度、環(huán)寬度和環(huán)個(gè)數(shù)； 步驟S12、設(shè)定初始的場限環(huán)間距分布，使得器件擊穿時(shí)最高電場分布在最外側(cè)場限環(huán)處； 步驟S13、將相鄰的至少兩個(gè)場限環(huán)分為一組，從內(nèi)側(cè)向外側(cè)，逐漸增加各組場限環(huán)內(nèi)的間距，使得器件擊穿時(shí)最高電場分布在最外側(cè)場限環(huán)處； 步驟S14、從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，逐漸增加各場限環(huán)之間的間距； 步驟S15、判斷器件擊穿時(shí)各場限環(huán)的電場分布是否均勻以及是否同時(shí)獲得與器件電壓等級(jí)要求對(duì)應(yīng)的擊穿電壓； 若器件擊穿時(shí)各場限環(huán)的電場分布均勻且同時(shí)獲得與器件電壓等級(jí)要求對(duì)應(yīng)的擊穿電壓，則執(zhí)行步驟S16，否則返回執(zhí)行步驟Sll至S15 ； 步驟S16、獲得場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的場限環(huán)間距分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述設(shè)定初始的場限環(huán)間距分布包括: 設(shè)定初始的場限環(huán)間距分布為等間距分布，使得器件擊穿時(shí)最高電場分布在最外側(cè)場限環(huán)處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述將相鄰的至少兩個(gè)場限環(huán)分為一組包括: 根據(jù)環(huán)個(gè)數(shù)和初始的場限環(huán)間距分布的不同，將相鄰的2?10個(gè)場限環(huán)分為一組。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，各組場限環(huán)的個(gè)數(shù)相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，逐漸增加各場限環(huán)之間的間距包括: 從外側(cè)向內(nèi)側(cè)，依次增加相鄰兩個(gè)場限環(huán)之間的間距，降低器件擊穿時(shí)相鄰兩個(gè)場限環(huán)中外側(cè)場限環(huán)的電場強(qiáng)度，使得器件擊穿時(shí)相鄰兩個(gè)場限環(huán)中外側(cè)場限環(huán)與內(nèi)側(cè)場限環(huán)的電場分布接近，直至在器件擊穿時(shí)，各場限環(huán)的電場分布均勻。
【文檔編號(hào)】H01L29/06GK104409477SQ201410671594
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)明者】白云, 申華軍, 湯益丹, 楊成樾, 王弋宇, 于海龍, 彭朝陽, 劉新宇 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所