【摘要】：縱向功率金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor,MOS)器件是一種重要的功率半導體器件,在消費電子和工業(yè)控制等領域具有非常廣泛的應用。比導通電阻和擊穿電壓是縱向功率MOS器件最重要的特性,但是比導通電阻的優(yōu)化和擊穿電壓的優(yōu)化存在著矛盾關系,這個矛盾關系又被稱為“硅極限”。如何有效地降低縱向功率MOS的比導通電阻并提高擊穿電壓引起了眾多研究人員的關注,成為了一個研究熱點。在眾多的研究中,超結技術通過復合緩沖層在漂移區(qū)引入橫向電場,打破了硅極限,并建立了一個新的擊穿電壓與比導通電阻的關系,又被稱為“超結極限”。本文為了進一步優(yōu)化縱向功率MOS的擊穿特性與導通特性,打破超結極限,提出了兩種新的縱向功率MOS器件:(1)在傳統超結槽柵MOS(SuperJunction Trench MOS,SJ-UMOS)的基礎上,結合氧化物半導體結構的載流子積累效應,提出了一種具有多數載流子積累槽柵MOS(Majority Carrier Accumulation Trench MOS,MCA-UMOS)。與傳統SJ-UMOS相比,MCA-UMOS在P柱與N柱之間增加了一層二氧化硅薄膜,且在P柱內增加了一層薄N型區(qū)。在正向導通時,氧化層上的電勢差會在漂移區(qū)的側壁上形成多數載流子積累,極大地增大了導通電流,降低了比導通電阻。在反向擊穿時,P柱與N柱之間可以相互輔助耗盡,且氧化層可以承受電壓來調制漂移區(qū)電場,使得擊穿電壓得到了提高。仿真結果表明,當漂移區(qū)長度為40μm,P柱寬度為5μm時,MCA-UMOS相較于傳統超結UMOS,比導通電阻由12 mΩ·cm~2降低到了3.05 mΩ·cm~2,降低了75%,同時擊穿電壓由618.4V提高到了649V,提高了近5%。此外,本文還分析了MCA-UMOS的結構參數變化對擊穿特性和導通特性的影響,優(yōu)化了各個參數,并對MCA-UMOS的制備工藝進行了討論。(2)在提出的MCA-UMOS的基礎上,結合高介電常數介質,提出了具有高K介質多數載流子積累新型槽柵MOS(MCA-UMOS with High K dielectric,HK MCA-UMOS)。利用高K材料代替常規(guī)MCA-UMOS中的二氧化硅薄層,可以使器件的漂移區(qū)在正向導通時產生更為明顯的多數載流子積累效應,進一步提高了器件的導通電流,降低了比導通電阻。同時,在反向擊穿時,高K材料可以承受更高的電壓,調制了漂移區(qū)電場,提高了器件擊穿電壓。仿真結果顯示,當漂移區(qū)長度為40μm,P柱寬度為5μm,介質層寬度為0.1μm,介質層相對介電常數為50時,HK MCA-UMOS相較于常規(guī)MCA-UMOS,比導通電阻由3.05 mΩ·cm~2降低到了0.5 mΩ·cm~2,降低了84%,同時擊穿電壓由649V提高到了685V,提高了5.5%。此外,還對高K介質的寬度、長度和K值等參數對HK MCA-UMOS的擊穿特性與導通特性的影響進行了分析,并對HK MCA-UMOS制備中涉及到的高K材料的工藝進行了討論。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN386

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本文編號：2681654