具有高K介质和多数载流子积累新型UMOS特性分析

发布时间：2020-05-26 09:44

【摘要】：纵向功率金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor,MOS)器件是一种重要的功率半导体器件,在消费电子和工业控制等领域具有非常广泛的应用。比导通电阻和击穿电压是纵向功率MOS器件最重要的特性,但是比导通电阻的优化和击穿电压的优化存在着矛盾关系,这个矛盾关系又被称为“硅极限”。如何有效地降低纵向功率MOS的比导通电阻并提高击穿电压引起了众多研究人员的关注,成为了一个研究热点。在众多的研究中,超结技术通过复合缓冲层在漂移区引入横向电场,打破了硅极限,并建立了一个新的击穿电压与比导通电阻的关系,又被称为“超结极限”。本文为了进一步优化纵向功率MOS的击穿特性与导通特性,打破超结极限,提出了两种新的纵向功率MOS器件:(1)在传统超结槽栅MOS(SuperJunction Trench MOS,SJ-UMOS)的基础上,结合氧化物半导体结构的载流子积累效应,提出了一种具有多数载流子积累槽栅MOS(Majority Carrier Accumulation Trench MOS,MCA-UMOS)。与传统SJ-UMOS相比,MCA-UMOS在P柱与N柱之间增加了一层二氧化硅薄膜,且在P柱内增加了一层薄N型区。在正向导通时,氧化层上的电势差会在漂移区的侧壁上形成多数载流子积累,极大地增大了导通电流,降低了比导通电阻。在反向击穿时,P柱与N柱之间可以相互辅助耗尽,且氧化层可以承受电压来调制漂移区电场,使得击穿电压得到了提高。仿真结果表明,当漂移区长度为40μm,P柱宽度为5μm时,MCA-UMOS相较于传统超结UMOS,比导通电阻由12 mΩ·cm~2降低到了3.05 mΩ·cm~2,降低了75%,同时击穿电压由618.4V提高到了649V,提高了近5%。此外,本文还分析了MCA-UMOS的结构参数变化对击穿特性和导通特性的影响,优化了各个参数,并对MCA-UMOS的制备工艺进行了讨论。(2)在提出的MCA-UMOS的基础上,结合高介电常数介质,提出了具有高K介质多数载流子积累新型槽栅MOS(MCA-UMOS with High K dielectric,HK MCA-UMOS)。利用高K材料代替常规MCA-UMOS中的二氧化硅薄层,可以使器件的漂移区在正向导通时产生更为明显的多数载流子积累效应,进一步提高了器件的导通电流,降低了比导通电阻。同时,在反向击穿时,高K材料可以承受更高的电压,调制了漂移区电场,提高了器件击穿电压。仿真结果显示,当漂移区长度为40μm,P柱宽度为5μm,介质层宽度为0.1μm,介质层相对介电常数为50时,HK MCA-UMOS相较于常规MCA-UMOS,比导通电阻由3.05 mΩ·cm~2降低到了0.5 mΩ·cm~2,降低了84%,同时击穿电压由649V提高到了685V,提高了5.5%。此外,还对高K介质的宽度、长度和K值等参数对HK MCA-UMOS的击穿特性与导通特性的影响进行了分析,并对HK MCA-UMOS制备中涉及到的高K材料的工艺进行了讨论。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386

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本文编号：2681654