考虑到工艺变化导致的电荷不平衡，对横向超结进行优化设计

《Journal of Computational Electronics》：Optimum design of a lateral superjunction considering charge imbalance due to process variations

横向超结（LSJ）器件设计需考虑电荷不平衡（k_N）导致的击穿电压（V_BR）降低问题，本研究采用拉格朗日乘数法推导出优化LSJ柱参数（如纵横比r_0）的解析方程，通过0.1-1kV硅和1-10kV 4H-SiC的TCAD仿真验证，发现硅LSJ最佳r_0为8-12，4H-SiC为10-15，且与垂直SJ设计存在显著差异。

　　

摘要

横向超结（LSJ）是下一代电力集成电路中适用于CMOS架构的高压器件的潜在候选技术。以往的研究仅针对理想平衡的横向超结（即n型柱和p型柱中的电荷量相等）进行了建模和设计指南的制定。然而，制造过程中不可避免的工艺变化会导致电荷不平衡（用\({k_{N}}\)表示），从而使得击穿电压\({V_\textrm{BR}}\)远低于目标击穿电压\({V_\textrm{BR,target}}\)。在本研究中，我们采用拉格朗日乘数法推导出横向超结最佳柱参数的解析方程；这些参数能够在给定的\({V_\textrm{BR,target}}\)和\({k_{N}}\)条件下实现最小的导通电阻\({R_\textrm{ONSP}}\)。通过经过良好校准的TCAD仿真验证了这些解析解，该仿真涵盖了0.1–1 kV的Si横向超结以及1–10 kV的4H-SiC横向超结，其中\({k_{N}}\)的范围为0.05至0.30（表示n型柱和p型柱之间的电荷不平衡程度为5%至30%）。研究结果表明，对于Si横向超结，最佳纵横比\({r_{0}}\)介于8–12之间；而对于4H-SiC横向超结，这一比例介于10–15之间。值得注意的是，对于相同的\({V_\textrm{BR}}\)和\({k_{N}}\)，横向超结的最佳参数与之前针对垂直超结的解决方案存在显著差异，这主要是由于导通电阻\({R_\textrm{ONSP}}\)对柱参数的依赖性不同所致。这一发现凸显了为横向超结设计制定定制化解决方案的必要性。

横向超结（LSJ）是下一代电力集成电路中适用于CMOS架构的高压器件的潜在候选技术。以往的研究仅针对理想平衡的横向超结（即n型柱和p型柱中的电荷量相等）进行了建模和设计指南的制定。然而，制造过程中不可避免的工艺变化会导致电荷不平衡（用\({k_{N}}\)表示），从而使得击穿电压\({V_\textrm{BR}}\)远低于目标击穿电压\({V_\textrm{BR,target}}\)。在本研究中，我们采用拉格朗日乘数法推导出横向超结最佳柱参数的解析方程；这些参数能够在给定的\({V_\textrm{BR,target}}\)和\({k_{N}}\)条件下实现最小的导通电阻\({R_\textrm{ONSP}}\)。通过经过良好校准的TCAD仿真验证了这些解析解，该仿真涵盖了0.1–1 kV的Si横向超结以及1–10 kV的4H-SiC横向超结，其中\({k_{N}}\)的范围为0.05至0.30（表示n型柱和p型柱之间的电荷不平衡程度为5%至30%）。研究结果表明，对于Si横向超结，最佳纵横比\({r_{0}}\)介于8–12之间；而对于4H-SiC横向超结，这一比例介于10–15之间。值得注意的是，对于相同的\({V_\textrm{BR}}\)和\({k_{N}}\)\({R_\textrm{ONSP}}\)对柱参数的依赖性不同所致。这一发现凸显了为横向超结设计制定定制化解决方案的必要性。