[发明专利]一种场限环结终端结构的优化设计方法

说明书

技术领域

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

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，Junction Termination Extension）等结终端结构。

其中，场限环结构在Si、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1200V、1700V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。

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n个场限环的优化环间距无法应用在n+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

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。

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S11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。

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。

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。

可选地，各组场限环的个数相同。

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。