基于TCAD技术的碳化硅槽栅MOSFET器件设计_刘彦娟.pdf
《基于TCAD技术的碳化硅槽栅MOSFET器件设计_刘彦娟.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于TCAD技术的碳化硅槽栅MOSFET器件设计_刘彦娟.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 11 期 2023 年 11 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.11 Nov.2023 收稿日期:2022-11-19 基金项目:辽宁省科技厅资助项目(2021-BS-192);辽宁省教育厅资助项目(LJKZ0174);辽宁省教改资助项目(辽教办2021254 号)作者简介:刘彦娟(1991)女,黑龙江巴彦,博士,讲师,主要研究方向为功率半导体器件的设计与性能优化,。通信作者:贾德振(1998),男,山东安丘,硕士研究生,主要研究方向半导体器件设计、FPGA 系统设计与深度学习,
2、jiadezhen 。引文格式:刘彦娟,韩迪,贾德振.基于 TCAD 技术的碳化硅槽栅 MOSFET 器件设计J.实验技术与管理,2023,40(11):142-147.Cite this article:LIU Y J,HAN D,JIA D Z.Design of silicon carbide trench gate MOSFET devices with TCAD technologyJ.Experimental Technology and Management,2023,40(11):142-147.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DO
3、I:10.16791/ki.sjg.2023.11.021 基于 TCAD 技术的碳化硅槽栅 MOSFET 器件设计 刘彦娟,韩 迪,贾德振(沈阳航空航天大学 电子信息工程学院,辽宁 沈阳 110136)摘 要:针对碳化硅槽栅 MOSFET 器件内部寄生二极管的反向恢复特性差的问题,设计了碳化硅槽栅 MOSFET器件新结构,通过在碳化硅槽栅 MOSFET 器件元胞内部集成多晶硅/碳化硅异质结二极管,在不使器件的其他电学特性退化的基础上,改善器件的反向恢复特性。基于 TCAD 工具ATLAS 二维的半导体工艺与器件仿真软件,对碳化硅槽栅 MOSFET 器件的 I-V 特性、击穿特性以及反向恢复特
4、性进行了研究。研究结果表明,与常规的碳化硅槽栅 MOSFET 器件相比,新结构的反向恢复特性明显改善,反向恢复时间减小了 48.8%,反向恢复电荷减小了 94.1%,反向峰值电流减小了 82.4%。关键词:碳化硅器件;槽栅 MOSFET 器件;反向恢复特性;多晶硅/碳化硅异质结;半导体功率器件 中图分类号:TN386.1 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)11-0142-06 Design of silicon carbide trench gate MOSFET devices with TCAD technology LIU Yanjuan,HAN Di,JIA De
5、zhen(College of Electronical and Information Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)Abstract:To address the problem of poor reverse recovery characteristics of internal parasitic diodes in silicon carbide trench gate MOSFET devices,a new structure of silicon carbide trench g
6、ate MOSFET device,which integrates polysilicon/silicon carbide hetero-junction diodes,is designed to improve the reverse recovery characteristics of the devices,without degrading the other electrical characteristics.The electrical performances of devices,including I-V characteristics,breakdown chara
7、cteristics,and reverse recovery characteristics,are investigated based on the TCAD tool:ATLAS two-dimensional semiconductor process and device simulation software.The study results show that compared with conventional silicon carbide trench gate MOSFET devices,the reverse recovery characteristics of
8、 the new structure are significantly improved,such as a 48.8%reduction in reverse recovery time,94.1%reduction in reverse recovery charge,and 82.4%reduction in reverse peak current.Key words:silicon carbide devices;trench gate MOSFET device;reverse recovery characteristics;polysilicon/silicon carbid
9、e heterojunctions;semiconductor power devices 相比硅材料,碳化硅材料具有优异的物理特性,例如高的临界击穿电场、宽的禁带宽度、高的熔点、大的热导率以及大的电子饱和漂移速度,已成为替代硅基半导体材料最有潜力的候选者1。与相同耐压的硅基器件相比,碳化硅MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)器件具有导通电阻小、体积小、功耗低、抗辐射能力强等优势,自 1994 年碳化硅MOSFET 器件被首次报道以来2,就获得了国内外半导体领域的企业以及专家的广泛关注,基于碳化硅材料的功率半导体器件
10、的研发成为业内的研究重点与热点3-6。刘彦娟,等:基于 TCAD 技术的碳化硅槽栅 MOSFET 器件设计 143 应用于全桥电源等变换器系统中的碳化硅槽栅MOSFET 器件,通常与一个二极管反向并联,以实现续流功能,这种方式不仅会导致寄生电感和电容增加,而且会增加系统的封装成本7。MOSFET 器件内部存在一个固有的寄生二极管,可以作为续流元件,以解决上述问题。但研究结果表明,MOSFET 器件内部寄生的体二极管反向恢复特性较差,不仅会增加系统的功耗,还会产生较大的浪涌电流和电压,器件有烧毁的风险8-10。为此,研究者将研究重点集中在如何改善 MOSFET 器件寄生二极管的反向恢复特性上,并
11、取得了一定成效。比较典型的改善方法是将性能优异的二极管集成到 MOSFET 内部,主要是将肖特基二极管与结势垒二极管集成到 MOSFET 内部11-14,在不使器件其他电学特性退化的基础上,改善器件的反向恢复特性。针对上述问题,本文提出了一种碳化硅槽栅MOSFET 器件新结构,该结构内部集成了由 P 多晶硅与 n 碳化硅构成的异质结二极管。该结构改善了寄生体二极管的反向恢复特性,有助于减小系统功耗。为验证该结构的优异性能,借助工艺软件 ATLAS,对耐压为 1 200 V 的常规与新结构碳化硅槽栅 MOSFET 器件进行结构建模、电学特性仿真分析,并进行对比研究。1 结构设计与工作原理分析 如
12、图 1(a)所示为常规碳化硅槽栅 MOSFET 器件(后面简写为 C-UMOS,conventional UMOSFET)结构示意图,在 C-UMOS 器件内部,其寄生体二极管是由 p-体区与 n-漂移区构成的 PN 结二极管,为双极型器件。图 1(b)为集成异质结二极管的碳化硅槽栅MOSFET 器件(后面简写为 HJD-UMOS,hetero-junction diode UMOSFET)结构示意图。与 C-UMOS器件相比,除了 HJD-UMOS 器件内部集成一个异质结二极管(如图 1(b)红色虚线框所示),两个器件结构参数基本一致,如表 1 所示。图 1 器件结构剖面示意图 表 1 C-
13、UMOS 与与 HJD-UMOS 器件结构参数 符号 参数 数值 WC 元胞宽度/m 7 WGT 槽栅宽度(图 1(a)/m 3 WG 槽栅宽度(图 1(b)/m 1 DGT 槽栅深度/m 1.7 TP P+屏蔽层的厚度/m 0.3 Np p-体区的掺杂浓度/(cm3)11017 tox 栅氧化层厚度/nm 50 Nn n-漂移区掺杂浓度/(cm3)61015 C-UMOS 器件的 PN 结二极管其正向导通时,n-漂移区内部会存储大量的自由电子和空穴,而在其关断过程中,这些存储的载流子必须被全部抽取,这个过程会产生较大的反向恢复电流。而在 HJD-UMOS器件内部,其寄生二极管由两种不同类型的
14、二极管并联而成,一是与 C-UMOS 相同的体二极管,二是由 P多晶硅区与 n-漂移区构成的异质结二极管。异质结二极管为单极型器件且具有更小的正向开启电压,当MOSFET 器件工作于反向续流状态时,即器件内部寄生二极管正向导通时,异质结二极管优先导通,其 n-漂移区内部仅存储一种载流子自由电子,这可以加快关断过程中载流子的抽取速度,减小反向恢复时间,同时减小反向恢复电流,改善器件的反向恢复特性。2 仿真环境设置 本文基于半导体器件与工艺软件 ATLAS 对C-UMOS 和 HJD-UMOS 两种器件结构进行研究与分144 实 验 技 术 与 管 理 析。首先,根据所设计的器件结构参数,对器件进
15、行结构建模。由于器件网格划分疏密会影响仿真分析计算的收敛性,因此首先进行仿真网格划分。按照沟道反型区、半导体-氧化物界面、PN 结界面、半导体-金属界面的网格较密,其他区域网格较疏的原则划分网格,半个元胞的网格划分如图 2 所示。然后,设置仿真参数,文献15将碳化硅功率器件的仿真结果与实验结果进行了校正,仿真结果与实验结果吻合程度较高,因此本文的仿真参数设置与文献15的相同。除此之外,仿真过程中还使用了如下模型:禁带宽度变窄(BGN)模型、俄歇复合(AUGER)模型、肖克利(SRH)模型、与掺杂浓度及温度相关的迁移率(ANALYTIC)模型、费米-狄拉克统计(FD)模型、Selberherr
16、碰撞电离模型。图 2 仿真网格分布 3 新结构特性研究与分析 3.1 输入输出特性 图 3 给出了 C-UMOS 与 HJD-UMOS 器件的输入输出特性曲线仿真结果。从图中可以看出器件的阈值电压 Vth在 45 V。而当栅压 Vgs较低时,C-UMOS 与HJD-UMOS 的输出特性曲线相差较大,且 HJD-UMOS的漏源电流密度 Jds更大。这主要源于在 HJD-UMOS器件中 P+屏蔽层宽度较窄,在器件正向导通时,产生的耗尽层更窄,即电流的流通路径更宽,导致电流更大。图 3 输入输出特性曲线对比 图 3 中内插图为在 Vgs=7 V 时,漏电压 Vds较小时的输出电流与电压曲线,表明当器
17、件的导通电流密度较小时,两输出曲线基本重合。当 Jds=100 Acm2时,两器件的比导通电阻约为 5.21 mcm2。3.2 击穿特性 器件的击穿电压是由 n-漂移区的掺杂浓度与厚度决定的,由于 C-UMOS 与 HJD-UMOS 器件 n-漂移区的掺杂浓度与厚度一致,故理论上,两者具有相同的耐压能力。当 Vds=1 200 V、Vgs=0 V 时,仿真器件的击穿特性,得到的二维电场分布如图 4 所示。从图中可以看出,C-UMOS 与 HJD-UMOS 器件的击穿位置均位于 P+屏蔽层与 n-漂移区构成的 PN 结处,且击穿时的最大电场强度为 2.9 MV/cm,接近碳化硅材料的临界击穿电场
18、,认为此时器件处于击穿状态,故C-UMOS 与 HJD-UMOS 的击穿电压均为 1 200 V,与理论分析相一致。此外,器件击穿过程中,栅氧化层二氧化硅中的电场强度也是重点关注对象。二氧化硅的临界击穿电场为 10 MV/cm,而在功率器件中,为了保持器件长期工作的可靠性,栅氧化层中的电场强度在 3 MV/cm 附近。在击穿时,C-UMOS 器件栅氧化层二氧化硅的电场强度约为 3.1 MV/cm,而HJD-UMOS 中二氧化硅的电场强度约为 1.8 MV/cm,这源于 P+屏蔽层的保护作用。图 4 器件击穿时二维电场分布 刘彦娟,等:基于 TCAD 技术的碳化硅槽栅 MOSFET 器件设计 1
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 TCAD 技术 碳化硅 MOSFET 器件 设计 刘彦娟
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。