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栅增强功率UMOSFET深槽介质工程模拟研究

作　者: 兰昊
导　师: 王颖
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 电路与系统
关键词: 功率MOSFET 分裂栅极多沟槽介质特征导通电阻栅漏电荷
分类号: TN386
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近些年来，随着电力工业的发展和环保意识的提高，高效和节能越来越受到人们的重视。因此，对功率MOS器件的功耗和转换效率要求也越来越高。拥有高的耐压的同时又拥有低的导通电阻的功率器件，被许多现代电子工业应用领域所要求。功率槽栅MOSFET器件是从VDMOS和VMOS基础上发展而来。功率槽栅MOSFET应为拥有可集成度高，导通电阻低，开关速度快，开关损耗低等特点，而被广泛应用于各种电源管理和开关转换。近几年，许多功率器件结构被提出，以提高特征导通电阻和击穿电压的折中。其中，最值得关注的使降低表面电场效应（RESURF）和超结效应（SJ）。并且，在通过MOS电容原理对漂移区进行耗尽的基础上，一些和SJ等效的器件结构被提出。本论文主要内容是围绕功率槽栅MOSFET器件的击穿电压、特征导通电阻和栅电荷进行研究。模拟研究栅增强功率UMOSFET深槽介质工程，提出了一种多槽栅介质的分裂栅功率MOSFET（MTDSG-UMOS）器件。该结构采用一种新的方式提高器件漂移区的电场分布情况，以提高器件的特征导通电阻和击穿电压的折中，同时也拥有良好的特征导通电阻和栅电荷的折中情况。MTDSG-UMOS通过增加对漂移区的横向耗尽提高击穿电压。本文具体研究内容如下：(1)栅增强功率UMOSFET深槽介质工程的理论研究。在理解OB和GOB的理论分析的基础上，针对其特点和不足，提出了一种新的改善漂移区电场分布的方法，并作出了理论分析研究。结构的介质层是由多种不同介电常数的介质组成，代替了原来单一的介质。通过适当的介质分布使漂移区电场分布得到改善，实现拥有较高击穿电压的同时拥有较低的特征导通电阻。理论分析研究过程中，也获得了器件主要的参数模型，使得器件的主要参数能够容易通过表达式获得。(2)栅增强功率UMOSFET深槽介质工程的器件结构与仿真。提出了一种新的多种沟槽介质型分裂栅功率UMOSFET (MTDSG-UMOS)。特点是将MTDSG-UMOS结构中介质层分成好几段，每一段采用不同的介电常数的介质。以三种常用介质为例子，进行仿真分析，来证实该结构拥有良好的电学性能。为了更好的理解和证明该理论分析，采用两组仿真数据，分别为120V和180V设计参数。最后将MTDSG-UMOS和GE-UMOS进行了仿真对比，仿真结果显示了相比于传统斜场板结构的优势。相比于GE-UMOS，在击穿电压同为123V情况下，MTDSG-UMOS特征导通电阻降低了15%，栅电荷降低了64%。数据结果表明了该结构高的性能，提高了器件的品质因数Qg×RSP和BV2/RSP。此外，MTDSG-UMOS不再采用斜场板结构，避免了GE-UMOS结构中形成所需要角度斜场板的工艺难度。(3)栅增强功率UMOSFET深槽介质工程的器件结构的改进。提出了一种低栅漏电荷（Qgd）的MTDSG-UMOS结构。该结构的提出是为了降器件的栅漏电荷。通过在多晶硅分裂电极上引入一层屏蔽层多晶硅，使寄生电容降低。该屏蔽层属于分裂多晶硅电极的一部分，与上面的栅极由绝缘层隔开。通过仿真研究，表明该结构改善了栅漏电荷Qgd，使其降低了70%，器件优值FOM=Qgd×RSP降低了61%，从而实现了一个良好的RSP和Qgd的折中情况。低的Qgd将会使得该结构在高的开关频率转换中拥有很好的转换效率。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-22
  1.1 研究意义  11-12
  1.2 功率 UMOSFET 的发展  12-20
    1.2.1 超低导通电阻 UMOSFET  15-16
    1.2.2 超结  16-17
    1.2.3 OB、GOB  17-18
    1.2.4 深沟槽超功率 MOSFET  18-19
    1.2.5 纵向 RESURF UMOSFET 与分裂栅型 UMOSFET  19-20
  1.3 本文的主要研究内容  20-22
第2章栅增强功率 UMOSFET 深槽介质工程的理论研究  22-33
  2.1 OB 结构的理论与优缺点  23-25
  2.2 GOB 结构的理论与优缺点  25-26
  2.3 栅增强功率 UMOSFET 深槽介质工程的理论研究  26-32
    2.3.1 漂移区掺杂浓度 Nd  27-28
    2.3.2 介质层厚度  28-29
    2.3.3 漂移区长度  29-32
  2.4 本章小结  32-33
第3章栅增强功率 UMOSFET 深槽介质工程的器件结构与仿真  33-40
  3.1 器件结构与工作原理  33-34
  3.2 仿真结果与讨论  34-38
    3.2.1 对参数模型的验证  34-35
    3.2.2 漂移区长度变化对器件性能的影响  35-37
    3.2.3 MTDSG-UMOS 和 GE-UMOS 的仿真对比  37-38
  3.3 本章小结  38-40
第4章栅增强功率 UMOSFET 深槽介质工程的低栅漏电荷结构  40-47
  4.1 器件结构与工作原理  40-41
  4.2 仿真结果与分析  41-46
    4.2.1 器件结构电学特性  42-44
    4.2.2 器件结构参数特性研究  44-46
  4.3 本章小结  46-47
结论  47-49
参考文献  49-55
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  55-56
致谢  56

栅增强功率UMOSFET深槽介质工程模拟研究

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