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储能系统技术 储能系统 可靠性分析 ★ 4.0

邻近高压对汽车应用SOI功率器件特性与可靠性的影响

Influences of Adjacent High Voltage on the Characteristics and Reliability of SOI Power Devices for Automotive Application

作者 Ran Ye · Jiaojing Bian · Hao Luo · Qiao Kang · Siyang Liu · Long Zhang
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2024年12月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 可靠性分析
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 SOI BCD技术 pLDMOS 相邻高电压 功率器件 双深槽隔离结构
语言:

中文摘要

基于0.18微米工艺节点的绝缘体上硅(SOI)双极互补金属氧化物半导体 - 双扩散金属氧化物半导体(BCD)技术因其卓越的特性在汽车应用中广受欢迎。在实际的集成电路中,为了平衡性能和芯片面积,器件通常会紧密排列。对于p型横向双扩散金属氧化物半导体(pLDMOS)而言,无论采用何种布局配置,其漏极和源极均会施加高电压。如此一来,如果功率器件与pLDMOS相邻,施加在pLDMOS上的高电压将对功率器件的特性产生不可预测的影响。在本研究中,针对汽车应用,全面研究了这种相邻高电压在室温(25°C)和高温(175°C)下对功率器件的影响,这些功率器件包括n型横向双扩散金属氧化物半导体(nLDMOS)、横向绝缘栅双极晶体管(LIGBT)、源极在内布局的pLDMOS和漏极在内布局的pLDMOS。研究发现,除热载流子退化现象外,在25°C和175°C下,nLDMOS和LIGBT不受相邻高电压的影响。同时,除关态击穿电压外,漏极在内布局的pLDMOS也不受影响。然而,在25°C和175°C下,源极在内布局的pLDMOS受到相邻高电压的严重影响,包括关态击穿电压、漏源电流 - 漏源电压($I_{DS}$ - $V_{DS}$)曲线、热载流子退化和静电放电鲁棒性。利用技术计算机辅助设计(TCAD)模拟器详细分析和讨论了其内在原因。基于pLDMOS器件,制备了一种带有P⁺接触的双深沟槽隔离(DTI)结构,该结构有效抑制了相邻高电压的影响。

English Abstract

Silicon-on-insulator (SOI) bipolar-CMOS-DMOS (BCD) technologies based on the 0.18- m process node are popular for automotive applications due to their superior features. In the practical ICs, the devices are usually arranged tightly to balance the performance and chip area. As for the p-type lateral double-diffused MOS (pLDMOS), the drain and source are both applied on the high voltage whatever the layout configuration is. In this way, if the power devices are adjacent to the pLDMOS, the high voltage applied on the pLDMOS will result in unpredictable influences on their features. In this work, the influence of this adjacent high voltage on the power devices, including n-type lateral double-diffused MOS (nLDMOS), lateral insulated-gate bipolar transistor (LIGBT), pLDMOS with source inside configuration, and pLDMOS with drain inside configuration, has been comprehensively investigated both at room temperature (25 ° C) and high temperature (175 ° C) for the automotive application. It is found that the nLDMOS and LIGBT are not influenced by the adjacent high voltage both at 25 ° C and 175 ° C except for the hot-carrier degradation. Meanwhile, the pLDMOS with drain inside configuration is also not affected except for the off-state breakdown voltage. However, the pLDMOS with source inside configuration is severely influenced by the adjacent high voltage both at 25 ° C and 175 ° C, including off-state breakdown voltage, I _ DS – V _ DS curves, hot-carrier degradation, and ESD robustness. The inner reasons are analyzed and discussed in detail with the technology computer-aided design (TCAD) simulators. Based on the pLDMOS device, a proposed double deep trench isolation (DTI) structure with P+ contact is fabricated, which effectively suppresses the influences of adjacent high voltage.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对SOI BCD工艺中功率器件邻近高压影响的研究具有重要的技术参考价值。在光伏逆变器和储能变流器等核心产品中,功率半导体器件的可靠性直接影响系统效率和使用寿命,而该研究揭示的邻近高压效应正是高功率密度设计中的关键挑战。

该论文系统分析了pLDMOS器件在不同布局配置下对相邻功率器件的影响机制,特别是在汽车级应用温度范围(25°C至175°C)下的表现。研究发现源极内置配置的pLDMOS会严重影响邻近器件的击穿电压、I-V特性、热载流子退化和ESD鲁棒性,这对阳光电源在设计高集成度功率模块时具有直接指导意义。随着我们推进1500V光伏系统和高压储能方案,芯片内部的电压应力管理变得更加复杂,器件间的相互干扰可能导致意外失效。

论文提出的双深沟槽隔离(DTI)结构配合P+接触的解决方案展现了实用价值,这种结构已通过实际流片验证,技术成熟度较高。对于阳光电源而言,这项技术可应用于定制化ASIC芯片开发,特别是在车载OBC、DC-DC转换器等需要极高可靠性的产品线。通过优化器件布局和隔离结构,可以在不牺牲芯片面积的前提下提升系统可靠性,降低过设计余量,最终实现成本优化。

然而,将该技术转化为量产方案仍需关注工艺兼容性和成本增加问题。建议阳光电源的芯片设计团队与foundry厂商深度合作,在下一代功率IC开发中引入类似的隔离优化策略,同时建立完善的TCAD仿真验证流程,确保在宽温度范围和长期运行条件下的可靠性表现。