功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)中完成電力變換的核心器件。功率場(chǎng)效應(yīng)管在消費(fèi)電子及工業(yè)電子產(chǎn)業(yè)皆有重要的應(yīng)用地位,尤其是電動(dòng)車、車用電子以及智慧城市的發(fā)展,帶動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管需求明顯激增。UMOSFET(Ultimate trench U-shape Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistors)因其具有芯片占用面積較小、導(dǎo)通電阻較低、開(kāi)關(guān)速度快等性能優(yōu)勢(shì)而受到廣泛應(yīng)用。UMOSFET器件面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一是在保證足夠高擊穿電壓的前提下,降低器件的導(dǎo)通電阻。這也成為當(dāng)今功率UMOSFET技術(shù)前進(jìn)的主要發(fā)展方向。本文針對(duì)這一技術(shù)挑戰(zhàn)展開(kāi)了相關(guān)研究,具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)功率UMOSFET的結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)對(duì)其導(dǎo)通電阻、閾值電壓、擊穿電壓等關(guān)鍵性能指標(biāo)影響顯著。本文通過(guò)理論分析和仿真對(duì)UMOSFET的導(dǎo)通電阻、閾值電壓、擊穿電壓等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。(2)研究了元胞結(jié)構(gòu)外延層厚度及摻雜濃度、器件溝槽深度、柵氧化層厚度、Pbody區(qū)域注入對(duì)器件性能的影響及其優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了60V UMOSFET器件及其JTE邊端,通過(guò)采用JTE邊端替代傳統(tǒng)的場(chǎng)環(huán)場(chǎng)板邊端,在芯片中得到了更大的元胞區(qū)域面積,使芯片整體的導(dǎo)通電阻得到降低,器件性能對(duì)比優(yōu)化之前得到進(jìn)一步提高,并完成芯片總體版圖的繪制,給出了幾種芯片版圖繪制的類型及方法。(3)設(shè)計(jì)了60V UMOSFET芯片的新結(jié)構(gòu)元胞,設(shè)計(jì)了帶P-pillar區(qū)的UMOSFET元胞,并對(duì)新加入的P-pillar區(qū)域進(jìn)行仿真優(yōu)化調(diào)節(jié),提升了傳統(tǒng)UMOSFET器件的性能,改善了傳統(tǒng)UMOSFET器件電壓電阻比例關(guān)系。
【學(xué)位單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN303
【部分圖文】：

電、消費(fèi)電子等方面。功率半導(dǎo)體經(jīng)歷了幾代的發(fā)展更新，美國(guó)通用電氣(GE)公司在1958 年研制出世界上第一個(gè)工業(yè)用普通晶閘管，電能的變換和控制進(jìn)入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時(shí)代，這標(biāo)志著功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的誕生[2]。隨著后續(xù)技術(shù)的改進(jìn)更新，非對(duì)稱晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管等相繼問(wèn)世，廣泛應(yīng)用于各種變流裝置[3]。但是由于普通晶閘管不能自行關(guān)斷且配套成本高昂，隨著理論研究和工藝水平的不斷提高，在 70 年代出現(xiàn)了功率 MOSFET（Power Metal-Oxide-Semiconductor FieldEffect Transistor）等自關(guān)斷，全控型器件。它的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小且高頻特性良好，耐破壞性強(qiáng)[4]。但是其缺點(diǎn)為電流容量下、耐壓低，不適宜運(yùn)用于大功率裝置。近年來(lái)，功率半導(dǎo)體器件向著復(fù)合化，模塊化及功率集成的方向發(fā)展，如絕緣柵晶體管(IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor)[5]等。功率半導(dǎo)體器件根據(jù)功率范圍不同應(yīng)用于電子制造業(yè)的各個(gè)方面，如圖 1-1 所示。在小功率范圍（0W 至 10kW），多用于家電、服務(wù)器等開(kāi)關(guān)電源，提升電能利用效率[12,13]；中功率范圍（10kW 至 MW 級(jí)別），多用于電氣傳動(dòng)，新能源發(fā)電等[14,15]，例如用于新能源汽車、太陽(yáng)能的光伏逆變器、重型工業(yè)設(shè)備的高頻電源轉(zhuǎn)換器等[16,17]；大功率范圍（GW 級(jí)別），多用于高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)等[18-20]。

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第 2頁(yè)如圖 1-2 所示，中國(guó)占據(jù)全球功率半導(dǎo)體器件 40%市場(chǎng)份額。近五年來(lái)，中國(guó)功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 27.8%，是半導(dǎo)體產(chǎn)品中市場(chǎng)發(fā)脹相對(duì)較快的產(chǎn)品[8]。在功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，歐美公司占有較大優(yōu)勢(shì)，如歐美的 ABB、英飛凌、TI 等。國(guó)內(nèi)的功率半導(dǎo)體廠商基本為 IDM 模式，即有著從設(shè)計(jì)、制造到封裝測(cè)試完整的生產(chǎn)鏈[22-24]，但絕大多數(shù)廠商只在二極管、低壓 MOS 器件、晶閘管等相對(duì)低端器件的生產(chǎn)工藝方面較為成熟，對(duì)于高端器件，國(guó)內(nèi)只有極少數(shù)廠商擁有生產(chǎn)和封裝能力，國(guó)內(nèi)銷售的高端功率器件產(chǎn)品仍然被歐美公司所主導(dǎo)[9]。

散的原理形成源漏區(qū)。隨著器件上加的正向偏壓逐漸升高，耗盡層的進(jìn)行移動(dòng)，而耗盡層的位置與器件的最高擊穿電壓相關(guān)。故想提高這T 結(jié)構(gòu)器件的擊穿電壓，可以從兩方面著手開(kāi)展，第一種途徑是提高率[13]，但器件的導(dǎo)通電阻也會(huì)隨之提高；第二種途徑是增加器件的導(dǎo)增加器件的導(dǎo)電溝道長(zhǎng)度會(huì)減小器件漏極電流。所以早期的 MOSFE等方面限制很難制用于高壓高電流的工作環(huán)境。后在 1971 年，Tarui 等人研究出了橫向雙擴(kuò)散 MOS 結(jié)構(gòu)[14]，見(jiàn)圖 1-擴(kuò)散 MOS（LDMOS）結(jié)構(gòu)與之前的結(jié)構(gòu)對(duì)，首先是橫向雙擴(kuò)散 MO的結(jié)構(gòu)增加了一個(gè) N 型漂移區(qū)。當(dāng)器件電極之間的電壓逐漸增加時(shí)，移區(qū)移動(dòng)。器件可承受最高耐壓可以通過(guò)控制 N 型漂移區(qū)長(zhǎng)度或者 子摻雜濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)。橫向雙擴(kuò)散 MOS 結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是制造成產(chǎn)比較簡(jiǎn)使橫向雙擴(kuò)散 LDMOS 器件對(duì)比早期 MOS 管的耐壓有了顯著的優(yōu)勢(shì) LDMOS 器件是橫向的電流流通方向，而電極金屬所用的薄膜金屬的，N 型漂移區(qū)長(zhǎng)度的增加會(huì)使元胞區(qū)域必將占用比較大的硅片面積，受到影響，生產(chǎn)成本也會(huì)進(jìn)一步增加。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2849122