电场调制技术：控制电场改变信号的新方法

在功率集成电路中，常用的高压器件多数采用横向结构，使所有电极位于芯片表面，易于通过内部互连，实现与低压电路的集成。但由于横向器件的表面电场强度较高，为了获得优良的电学特性，并提高其稳定性，需采用各种电场调制技术，如降低表面电场（Reduced Surface Field，RESURF）技术和降低体内电场（Re-duced Bulk Field，REBULF）技术等。此外，为了解决SOI器件中存在较低的纵向耐压和严重的自加热效应等问题，电子科技大学研究组相继提出了“衬底终端技术”和“介质场增强（Enhanced Dielectric Layer Field，ENDIF）技术”，利用电场调制及屏蔽效应，通过对衬底和埋氧层的改造，达到降低体内电场强度和表面电场强度的作用。

1.降低表面电场技术

降低表面电场（RESURF）理论是1979年由J.A.Apells等人提出的^[6]。RE-SURF技术是指在p型衬底上外延一薄层轻掺杂的n^-区，使其在达到临界击穿电场强度之前全部耗尽，以承受大部分的外加电压，并降低表面峰值电场强度，使击穿点从表面pn转移到体内pn结，从而提高击穿电压。

采用RESURF技术，可使高压器件与低压电路通过结隔离集成在同一芯片上。引入LDMOS后，使其突破硅器件的理论极限，显著改善了器件的击穿电压与导通电阻。目前在Si-LDMOS和SOI-LDMOS中得到广泛使用。

图6-3给出了RESURF二极管击穿时的电场强度分布。如图6-3a所示，当n^-外延层较厚时，表面纵向p⁺n^-结的峰值电场强度E_s达到临界电场强度E_cr（即E_s=E_cr）时，n^-外延层还没有耗尽，击穿发生在表面。如图6-3b所示，采用RESURF技术，当n^-外延层较薄时，由于纵向p⁺n^-结的耗尽层被横向p^-n^-结加强，在给定的反偏压下，沿表面有较长的扩展，故表面电场强度低于临界电场强度（即E_s＜E_cr）。如图6-3c所示，当外加电压进一步增加时，表面电场强度仍然低于临界电场强度（即E_s＜E_cr），但体内横向p^-n^-结的电场强度增加，等于临界电场强度（即E_b=E_cr），于是击穿电压由横向p^-n^-结决定，可达到理想的击穿值。

图6-3 RESURF二极管击穿时电场强度分布

对RESURF技术而言，为了提高击穿电压，要求严格控制外延层的电荷，使之满足以下电荷条件：

N_epid_epi≈1×10¹²cm^-2 （6-1）

式中，N_epi为外延层的掺杂浓度；d_epi为外延层的厚度。(www.xing528.com)

当满足此约束条件，可得到RESURF器件理想的击穿电压为

U_BR=E_crL_drift （6-2）

式中，E_cr为外延层掺杂浓度所对应的临界击穿电场强度；L_drift为n^-外延层的长度。

如外延层的掺杂浓度和厚度不满足此约束条件，则任何外延层电荷的变化都会引起器件的击穿电压降低。所以，横向功率器件的设计几乎都以RESURF原理作为理论基础。

2.降低体内电场技术

对采用RESURF技术设计的nLDMOS，其中高电场主要集中在漏端，而源端电场较低，由此导致器件的外延层中存在着非均匀的电场强度分布。为了解决这一问题，电子科技大学（成都）段宝兴博士等提出了降低体内电场（Reduced BULk Field，REBULF）的概念^[7]。REBULF技术是指在器件中引入了高掺杂浓度的埋层，使得漂移区的电场强度重新分配，更加均匀地分布在漂移区中，以提高器件的耐压。如图6-4所示，通过在p衬底内引入一层高掺杂浓度的n⁺埋层，使得电场强度在外延层和衬底中重新分配，于是外延层的电场强度分布得更均匀。同时由于高掺杂浓度n⁺埋层与p衬底之间形成了二极管，使得衬底的耐压也显著增强，从而提高了整个器件的耐压。

REUBLF原理也可以应用到SOI功率器件中，既可以调制SOI层中的电场强度，同时也可以增强埋氧层中的电场强度，因而提高了SOI器件的耐压。

图6-4 REBULF原理示意图