60V功率UMOSFET特性研究及优化

发布时间：2020-10-20 20:28

　　 功率半导体器件是电力电子系统中完成电力变换的核心器件。功率场效应管在消费电子及工业电子产业皆有重要的应用地位,尤其是电动车、车用电子以及智慧城市的发展,带动功率场效应管需求明显激增。UMOSFET(Ultimate trench U-shape Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistors)因其具有芯片占用面积较小、导通电阻较低、开关速度快等性能优势而受到广泛应用。UMOSFET器件面临的主要技术挑战之一是在保证足够高击穿电压的前提下,降低器件的导通电阻。这也成为当今功率UMOSFET技术前进的主要发展方向。本文针对这一技术挑战展开了相关研究,具体研究内容如下:(1)功率UMOSFET的结构与工艺参数对其导通电阻、阈值电压、击穿电压等关键性能指标影响显著。本文通过理论分析和仿真对UMOSFET的导通电阻、阈值电压、击穿电压等关键参数进行了优化设计。(2)研究了元胞结构外延层厚度及掺杂浓度、器件沟槽深度、栅氧化层厚度、Pbody区域注入对器件性能的影响及其优化设计。设计了60V UMOSFET器件及其JTE边端,通过采用JTE边端替代传统的场环场板边端,在芯片中得到了更大的元胞区域面积,使芯片整体的导通电阻得到降低,器件性能对比优化之前得到进一步提高,并完成芯片总体版图的绘制,给出了几种芯片版图绘制的类型及方法。(3)设计了60V UMOSFET芯片的新结构元胞,设计了带P-pillar区的UMOSFET元胞,并对新加入的P-pillar区域进行仿真优化调节,提升了传统UMOSFET器件的性能,改善了传统UMOSFET器件电压电阻比例关系。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN303
【部分图文】：

电、消费电子等方面。功率半导体经历了几代的发展更新，美国通用电气(GE)公司在1958 年研制出世界上第一个工业用普通晶闸管，电能的变换和控制进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着功率半导体器件技术的诞生[2]。随着后续技术的改进更新，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管等相继问世，广泛应用于各种变流装置[3]。但是由于普通晶闸管不能自行关断且配套成本高昂，随着理论研究和工艺水平的不断提高，在 70 年代出现了功率 MOSFET（Power Metal-Oxide-Semiconductor FieldEffect Transistor）等自关断，全控型器件。它的一个显著的特点是驱动电路简单，驱动功率小且高频特性良好，耐破坏性强[4]。但是其缺点为电流容量下、耐压低，不适宜运用于大功率装置。近年来，功率半导体器件向着复合化，模块化及功率集成的方向发展，如绝缘栅晶体管(IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor)[5]等。功率半导体器件根据功率范围不同应用于电子制造业的各个方面，如图 1-1 所示。在小功率范围（0W 至 10kW），多用于家电、服务器等开关电源，提升电能利用效率[12,13]；中功率范围（10kW 至 MW 级别），多用于电气传动，新能源发电等[14,15]，例如用于新能源汽车、太阳能的光伏逆变器、重型工业设备的高频电源转换器等[16,17]；大功率范围（GW 级别），多用于高压直流（HVDC）输电系统等[18-20]。

西南交通大学硕士研究生学位论文 第 2页如图 1-2 所示，中国占据全球功率半导体器件 40%市场份额。近五年来，中国功率半导体器件市场复合增长率达 27.8%，是半导体产品中市场发胀相对较快的产品[8]。在功率半导体器件领域，欧美公司占有较大优势，如欧美的 ABB、英飞凌、TI 等。国内的功率半导体厂商基本为 IDM 模式，即有着从设计、制造到封装测试完整的生产链[22-24]，但绝大多数厂商只在二极管、低压 MOS 器件、晶闸管等相对低端器件的生产工艺方面较为成熟，对于高端器件，国内只有极少数厂商拥有生产和封装能力，国内销售的高端功率器件产品仍然被欧美公司所主导[9]。

散的原理形成源漏区。随着器件上加的正向偏压逐渐升高，耗尽层的进行移动，而耗尽层的位置与器件的最高击穿电压相关。故想提高这T 结构器件的击穿电压，可以从两方面着手开展，第一种途径是提高率[13]，但器件的导通电阻也会随之提高；第二种途径是增加器件的导增加器件的导电沟道长度会减小器件漏极电流。所以早期的 MOSFE等方面限制很难制用于高压高电流的工作环境。后在 1971 年，Tarui 等人研究出了横向双扩散 MOS 结构[14]，见图 1-扩散 MOS（LDMOS）结构与之前的结构对，首先是横向双扩散 MO的结构增加了一个 N 型漂移区。当器件电极之间的电压逐渐增加时，移区移动。器件可承受最高耐压可以通过控制 N 型漂移区长度或者 子掺杂浓度进行调节。横向双扩散 MOS 结构的优点是制造成产比较简使横向双扩散 LDMOS 器件对比早期 MOS 管的耐压有了显著的优势 LDMOS 器件是横向的电流流通方向，而电极金属所用的薄膜金属的，N 型漂移区长度的增加会使元胞区域必将占用比较大的硅片面积，受到影响，生产成本也会进一步增加。
【参考文献】

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本文编号：2849122