【摘要】：功率MOS場效應(yīng)晶體管是近年來功率器件領(lǐng)域發(fā)展速度相當(dāng)快的一種新型器件。垂直雙擴(kuò)散MOS管(VDMOS)作為功率MOS的重要一員,由于其輸入阻抗高、開關(guān)速度快、工作頻率高、驅(qū)動功率低、頻率特性好、熱穩(wěn)定性好等特點,為電力電子領(lǐng)域不斷高速發(fā)展提供強(qiáng)大支撐力量,大量應(yīng)用于開關(guān)電源、車用電子、光伏照明等市場。隨著VDMOS應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,VDMOS的低壓與中高壓產(chǎn)品也越來越多。對于低壓領(lǐng)域的VDMOS,導(dǎo)通電阻越低,功耗越小,市場競爭力越強(qiáng)；而對于中高壓VDMOS而言,器件耐壓越高,對產(chǎn)品設(shè)計的要求就越高,投入的成本也會相應(yīng)增大,想要得到更強(qiáng)的市場競爭力就越難。本文首先介紹功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程與應(yīng)用頻率和電壓范圍,并對功率VDMOS的發(fā)展與現(xiàn)狀作了詳細(xì)介紹。緊接著介紹了700V功率VDMOS的設(shè)計過程�；赟entaurus TCAD仿真平臺,本文設(shè)計擊穿電壓700V,導(dǎo)通電阻2.4Ω、3.0Ω2、3.3Ω2,閾值電壓2～4V的功率VDMOS.在生產(chǎn)工藝有一定限制的情況下,通過仿真優(yōu)化元胞結(jié)構(gòu),減小導(dǎo)通電阻。本文的終端結(jié)構(gòu)是在一款失效終端基礎(chǔ)上改進(jìn)并重新優(yōu)化設(shè)計的。首先,通過電測、微光顯微鏡(EMMI)漏電流定位和掃描電子顯微鏡(SEM)形貌分析等手段,對一款700V場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)進(jìn)行失效分析。通過大量仿真驗證,研究其電流密度、電場、靜電勢和空間電荷等仿真模型,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)造成耐壓不足的場板(FP)結(jié)構(gòu)問題,并研究確定了有效的改進(jìn)辦法。最終,經(jīng)過優(yōu)化得到一款耐壓770V、硅表面電場2.0E5V · cm-1左右、分布非常均勻可靠的終端結(jié)構(gòu)。最后,本文對700V功率VDMOS進(jìn)行版圖設(shè)計。在版圖設(shè)計前,對芯片元胞面積進(jìn)行估算；在版圖完成后,又對這三顆導(dǎo)通電阻不同芯片的元胞面積進(jìn)行準(zhǔn)確計算。通過對流片結(jié)果導(dǎo)通電阻的分析,發(fā)現(xiàn)其平均值與版圖計算值吻合度均超過96%,表明了本文導(dǎo)通電阻設(shè)計方法、仿真參數(shù)的可靠性以及版圖完成后對導(dǎo)通電阻計算的準(zhǔn)確性。
【圖文】：

圖２－１邋ＶＤＭＯＳ三維結(jié)構(gòu)示意圖逡逑功率ＶＤＭＯＳ是由多個元胞并聯(lián)而成，常用元胞結(jié)構(gòu)有：條形元胞、方形元胞、逡逑六角形元胞等，，本文將在第四章進(jìn)行詳細(xì)討論。圖２－１是方形元胞結(jié)構(gòu)ＶＤＭＯＳ的三逡逑維示意圖，并聯(lián)的元胞結(jié)構(gòu)可以增大整個器件的導(dǎo)電溝道長度Ｌ，提高器件的電流能逡逑力。但是必須保證每個元胞都必須是可靠的，否則一個元胞的失效就會導(dǎo)致整個器件逡逑失效。同時，為了將外延層底部的耗盡層邊界平滑收斂到鞋表面，提高器件表面的擊逡逑穿電壓，必須在元胞區(qū)域的外圍加上終端結(jié)構(gòu)。逡逑根據(jù)導(dǎo)電溝道的不同，ＭＯＳＦＥＴ可分為Ｐ溝道ＭＯＳＦＥＴ和ｎ溝道ＭＯＳＦＥＴ。ｎ溝逡逑道ＭＯＳＦＥＴ在Ｐ區(qū)形成ｎ型導(dǎo)電溝道，載流子類型為電子；ｐ溝道ＭＯＳＦＥＴ在ｎ區(qū)形逡逑成Ｐ型導(dǎo)電溝道，載流子類型為空穴。由于電子的遷移率＾１？是空穴遷移率＾＾卩的３倍，逡逑為了減小溝道電阻

、三象限都可以耐壓Ｄ但為了抑制寄生ＮＰＮ管的作用，ｎ＋源區(qū)與Ｐ區(qū)處于短路狀態(tài)。逡逑因此，ＶＤＭＯＳ在第一象限工作時承受高壓，在第三象限工作時僅相當(dāng)于一個正偏的逡逑二極管。圖２－１為ｎ型功率ＶＤＭＯＳ的Ｉ－Ｖ曲線（又稱輸出特性曲線），Ｖｄ表示漏源逡逑電壓，Ｖｇ表示柵源電壓。當(dāng)Ｖ（ｉ—定時，隨著ＶＤ的變化，此曲線可分為六個區(qū)域：逡逑個逡逑，６）準(zhǔn)飽和區(qū)４）雪崩擊穿逡逑２）歐姆區(qū)邋／邋邐邐邋－逡逑Ａ／ｐ邐３卿區(qū)個逡逑Ｖｆ（－Ｖａ）Ｍ邋＾邋＼ｆ邐／邐Ｖ肪邋Ｖｄ逡逑２邋士邋／邐１）截止區(qū)逡逑ｉ邋／邐Ｖｏ＜邋Ｖｔｈ逡逑圖２－１邋ｎ溝道功率ＶＤＭＯＳ的Ｉ－Ｖ曲線［ｉ５］逡逑１）截止區(qū)：此時ＶＧ＾Ｖｔｈ，雖然ＶＤ逐漸增大，但還沒有形成導(dǎo)電溝道，電流趨近逡逑于零；逡逑２）歐姆區(qū)（或稱線性區(qū)）：此時ＶＧ＞Ｖｔｈ、ＶＤ＜ＶＧ－ＶＴＨ＇在挪氧化層下方ｉｉ＋區(qū)與ｎ－逡逑外延層中間形成導(dǎo)電溝道，如圖２－２邋ａ）。對于低電壓Ｖｄ，功率ＶＤＭＯＳ的Ｉ－Ｖ特性類逡逑似于一個受柵極電壓調(diào)制的線性電阻，只要確定柵極電壓Ｖｇ的大小就可以得到此時的逡逑導(dǎo)通電阻值，逡逑３）飽和區(qū)：此時Ｖｇ＞Ｖｔｈ、Ｖｉ＾Ｖｇ－Ｖｔｈ．導(dǎo)電溝道被夾斷，如圖２－２邐ｂ）。ｐ區(qū)與逡逑ｎ－外延構(gòu)成的ＰＮ結(jié)所形成的空間電荷區(qū)也隨著漏電壓Ｖｄ的增大逐漸展寬
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN386

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 張麗妮;新型絕緣柵型光電導(dǎo)開關(guān)的器件設(shè)計與優(yōu)化[D];西安理工大學(xué);2018年

2 趙爭夕;60V功率UMOSFET特性研究及優(yōu)化[D];西南交通大學(xué);2018年

本文編號：2540868