一种场限环结终端结构的优化设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种场限环结终端结构的优化设计方法，涉及电力电子器件【技术领域】，解决了现有技术中场限环结终端结构优化设计较为复杂的问题。该方法包括：确定初始的场限环的环深、环浓度、环宽度和环个数；设定初始的场限环间距分布；将相邻的至少两个场限环分为一组，从内侧向外侧逐渐增加各组场限环内的间距；从外侧向内侧逐渐增加各场限环之间的间距；判断器件击穿时各场限环的电场分布是否均匀以及是否同时获得与器件电压等级要求对应的击穿电压；若是，则获得场限环结终端结构优化后的场限环间距分布；否则返回执行上述步骤。本发明适用于在场限环较多时对场限环结终端结构进行优化设计。
【专利说明】一种场限环结终端结构的优化设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子器件【技术领域】，特别涉及一种场限环结终端结构的优化设计方法。
【背景技术】
[0002]电力电子器件指在各种电力电子电路中起整流或开关作用的有源电子器件。目前绝大多数的电力电子器件都是用硅(Si)材料做成的，另外，利用碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料制备的电力电子器件，因其优异的材料特性，已成为电力电子技术最为重要的发展方向。在电力电子器件的设计和制备中，为了降低结边缘电场，提高器件的实际击穿电压，各种结终端技术在电力电子器件的结构中得到了广泛的应用，主要包括场板(FP, Field Plate)、场限环(FLR, Field Limiting Ring)、结终端延伸(JTE, Junct1nTerminat1n Extens1n)等结终端结构。
[0003]其中，场限环结构在S1、SiC等电力电子器件的制备中具有非常广泛的应用，其主结和场限环可同时形成，因此具有工艺简单的特点。在场限环结构中，主结与场限环的间距、环宽度、环个数、环深和环浓度都会影响到击穿电压的大小。因此，场限环结构的优化会涉及较多的参数，针对某一环深和环浓度，关键的参数优化包括环间距、环宽度和环个数。对于多个场限环系统，由于各参数之间为相互制约的关系，场限环的优化是一个非常复杂和庞大的系统工程，每增加一个环，需对各参数进行重新优化。一般来说，在具有某确定的环深、环浓度、环宽和环个数的情况下，为了获得较高的击穿电压，各场限环与环的间距由结边缘向外方向呈逐渐增大的趋势。如果各场限环间距合适，使得击穿发生时，主结与各场限环结的电场强度同时达到临界击穿场强，则器件可获得较高的击穿电压。特别是相对于Si器件，由于SiC器件具有较薄的漂移层及较浅的结，因此，其击穿电压受各个场限环间距的影响更为敏感。但对于具有较多场限环结终端的结构来说，其各场限环间距的优化工作量非常庞大。例如，对于1200VU700V电压等级以上的SiC电力电子器件，其场限环个数一般为20?30个，对于更高电压等级的3300V以上的器件，其场限环个数一般为30个环及以上。
[0004]在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题:
由于每增加一个环，各场限环的间距需要重新调整，即η个场限环的优化环间距无法应用在η+1个场限环的情况。因此，在具有较多场限环的情况下，仍然需要重新逐一定义和调整各场限环的间距，以获得优化的参数。因此，需要进行大量的仿真实验，才能得到优化的环间距参数，优化过程十分复杂。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种场限环结终端结构的优化设计方法，能够在场限环较多的情况下，简化场限环结终端结构的优化过程，并且可获得较完备的优化结果。
[0006]为达到以上目的，本发明提供一种场限环结终端结构的优化设计方法，所述方法包括:
步骤S11、根据器件的电压等级要求，确定初始的场限环的环深、环浓度、环宽度和环个数；
步骤S12、设定初始的场限环间距分布，使得器件击穿时最高电场分布在最外侧场限环处；
步骤S13、将相邻的至少两个场限环分为一组，从内侧向外侧，逐渐增加各组场限环内的间距，使得器件击穿时最高电场分布在最外侧场限环处；
步骤S14、从外侧向内侧，逐渐增加各场限环之间的间距；
步骤S15、判断器件击穿时各场限环的电场分布是否均匀以及是否同时获得与器件电压等级要求对应的击穿电压；
若器件击穿时各场限环的电场分布均匀且同时获得与器件电压等级要求对应的击穿电压，则执行步骤S16，否则返回执行步骤Sll至S15 ；
步骤S16、获得场限环结终端结构优化后的场限环间距分布。
[0007]可选地，所述设定初始的场限环间距分布包括:
设定初始的场限环间距分布为等间距分布，使得器件击穿时最高电场分布在最外侧场限环处。
[0008]可选地，所述将相邻的至少两个场限环分为一组包括:
根据环个数和初始的场限环间距分布的不同，将相邻的2?10个场限环分为一组。
[0009]可选地，各组场限环的个数相同。
[0010]进一步地，所述从外侧向内侧，逐渐增加各场限环之间的间距包括:
从外侧向内侧，依次增加相邻两个场限环之间的间距，降低器件击穿时相邻两个场限环中外侧场限环的电场强度，使得器件击穿时相邻两个场限环中外侧场限环与内侧场限环的电场分布接近，直至在器件击穿时，各场限环的电场分布均匀。
[0011]本发明提供的场限环结终端结构的优化设计方法，将相邻的至少两个场限环分为一组，从内侧向外侧，逐渐增加各组场限环内的间距，然后从外侧向内侧，逐渐增加各场限环之间的间距，直至器件击穿时各场限环的电场分布均匀且同时获得与器件电压等级要求对应的击穿电压，获得场限环结终端结构优化后的场限环间距分布。与现有技术相比，本发明不需要对所有可能的场限环间距都进行仿真实验即可获得场限环结终端结构优化的环间距参数，特别是在场限环较多的情况下，能够使场限环间距优化的过程更加简便，并且可获得较完备的优化结果。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0013]图1为本发明提供的场限环结终端结构的优化设计方法流程图；
图2为本发明实施例提供的器件的场限环间距优化过程仿真结果示意图；
图3为本发明实施例提供的器件的场限环间距优化过程仿真结果示意图； 图4为本发明实施例提供的器件的场限环间距优化过程仿真结果示意图。
【具体实施方式】
[0014]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0015]本发明实施例提供一种场限环结终端结构的优化设计方法，如图1所示，所述方法包括:
步骤S11、根据器件的电压等级要求，确定初始的场限环的环深、环浓度、环宽度和环个数；
步骤S12、设定初始的场限环间距分布，使得器件击穿时最高电场分布在最外侧场限环处；
其中，所述初始的场限环间距分布可以为等间距分布，利于快速获得满足器件击穿时最高电场分布在最外侧场限环处要求的初始场限环间距。
[0016]步骤S13、将相邻的至少两个场限环分为一组，从内侧向外侧，逐渐增加各组场限环内的间距，使得器件击穿时最高电场分布在最外侧场限环处；
可选地，所述将相邻的至少两个场限环分为一组可以包括:
根据环个数和初始的场限环间距分布的不同，将相邻的2?10个场限环分为一组。
[0017]可选地，各组场限环的个数相同。
[0018]步骤S14、从外侧向内侧，逐渐增加各场限环之间的间距；
进一步地，所述从外侧向内侧，逐渐增加各场限环之间的间距可以包括:
从外侧向内侧，依次增加相邻两个场限环之间的间距，降低器件击穿时相邻两个场限环中外侧场限环的电场强度，使得器件击穿时相邻两个场限环中外侧场限环与内侧场限环的电场分布接近，直至在器件击穿时，各场限环的电场分布均匀，以获得器件较高的击穿电压。
[0019]具体地，首先，增加最外侧场限环和次外侧场限环之间的间距，降低器件击穿时最外侧场限环的电场强度，使其在器件击穿时与次外侧场限环的电场分布接近；然后，保持最外侧场限环与次外侧场限环的间距不变，增加次外侧场限环与次次外侧场限环之间的间距，使其在器件击穿时与次次外侧场限的电场分布接近；依此类推，直至在器件击穿时，各个场限环的电场分布均匀，以获得器件较高的击穿电压，从而获得优化的场限环参数。
[0020]步骤S15、判断器件击穿时各场限环的电场分布是否均匀以及是否同时获得与器件电压等级要求对应的击穿电压；
若器件击穿时各场限环的电场分布均匀且同时获得与器件电压等级要求对应的击穿电压，则执行步骤S16，否则返回执行步骤Sll至S15 ；
步骤S16、获得场限环结终端结构优化后的场限环间距分布。
[0021]本发明提供的场限环结终端结构的优化设计方法，将相邻的至少两个场限环分为一组，从内侧向外侧，逐渐增加各组场限环内的间距，然后从外侧向内侧，逐渐增加各场限环之间的间距，直至器件击穿时各场限环的电场分布均匀且同时获得与器件电压等级要求对应的击穿电压，获得场限环结终端结构优化后的场限环间距分布。与现有技术相比，本发明不需要对所有可能的场限环间距都进行仿真实验即可获得场限环结终端结构优化的环间距参数，特别是在场限环较多的情况下，能够使场限环间距优化的过程更加简便，并且可获得较完备的优化结果。
[0022]下面以基于SiC材料的电力电子器件的场限环结终端结构的优化设计为例进行说明，将本发明提供的方法应用于1700V的SiC电力电子器件的25个场限环结终端结构的优化设计。
[0023]首先根据器件的电压等级要求，确定某一较为合理的、经验性的环深、环浓度、环宽度和环个数，设定某一合适的等间距的初始场限环间距分布。在此情况下对器件的击穿特性进行仿真，获得器件击穿发生时器件近表面处的电场分布仿真结果如图2所示。由图2可知，器件的峰值电场位于场限环的外侧，此时器件的击穿电压约为830V。
[0024]在图2的基础上对场限环的间距进行进一步优化，在场限环等间距分布的情况下，以每3个场限环为一组，从内侧向外侧，逐渐增加每组场限环内的间距，同时保证器件在击穿时，最高电场分布在最外侧场限环处。图3给出了在图2的基础上，对场限环的间距进一步优化后，器件近表面处的电场分布仿真结果，由仿真结果可知，器件的击穿电压提高到了 1750V。
[0025]在图3的基础上对场限环的间距进行进一步优化，从外侧向内侧，逐渐增加各场限环之间的间距，以降低最外侧场限环的电场强度，使得器件在击穿时，各个场限环的电场分布较为均匀，以获得较高的击穿电压。图4给出了对场限环间距优化完成后，器件击穿时近表面区域的电场分布仿真结果。此时在主结和各场限环处的电场分布较为均匀，由仿真结果可知，器件的击穿电压提高至2200V，满足对器件击穿电压的要求，同时较为接近材料的理想击穿电压。
[0026]以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种场限环结终端结构的优化设计方法，其特征在于，包括: 步骤S11、根据器件的电压等级要求，确定初始的场限环的环深、环浓度、环宽度和环个数； 步骤S12、设定初始的场限环间距分布，使得器件击穿时最高电场分布在最外侧场限环处； 步骤S13、将相邻的至少两个场限环分为一组，从内侧向外侧，逐渐增加各组场限环内的间距，使得器件击穿时最高电场分布在最外侧场限环处； 步骤S14、从外侧向内侧，逐渐增加各场限环之间的间距； 步骤S15、判断器件击穿时各场限环的电场分布是否均匀以及是否同时获得与器件电压等级要求对应的击穿电压； 若器件击穿时各场限环的电场分布均匀且同时获得与器件电压等级要求对应的击穿电压，则执行步骤S16，否则返回执行步骤Sll至S15 ； 步骤S16、获得场限环结终端结构优化后的场限环间距分布。
2.根据权利要求1所述的场限环结终端结构的优化设计方法，其特征在于，所述设定初始的场限环间距分布包括: 设定初始的场限环间距分布为等间距分布，使得器件击穿时最高电场分布在最外侧场限环处。
3.根据权利要求1或2所述的场限环结终端结构的优化设计方法，其特征在于，所述将相邻的至少两个场限环分为一组包括: 根据环个数和初始的场限环间距分布的不同，将相邻的2?10个场限环分为一组。
4.根据权利要求3所述的场限环结终端结构的优化设计方法，其特征在于，各组场限环的个数相同。
5.根据权利要求1所述的场限环结终端结构的优化设计方法，其特征在于，所述从外侧向内侧，逐渐增加各场限环之间的间距包括: 从外侧向内侧，依次增加相邻两个场限环之间的间距，降低器件击穿时相邻两个场限环中外侧场限环的电场强度，使得器件击穿时相邻两个场限环中外侧场限环与内侧场限环的电场分布接近，直至在器件击穿时，各场限环的电场分布均匀。
【文档编号】H01L29/06GK104409477SQ201410671594
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】白云, 申华军, 汤益丹, 杨成樾, 王弋宇, 于海龙, 彭朝阳, 刘新宇 申请人:中国科学院微电子研究所