超结器件的模型研究及优化设计

论文摘要

功率MOSFET应用领域广阔,是中小功率领域内主流的功率半导体开关器件,也是DC-DC转换的核心电子器件,它占据着分立功率半导体器件市场的最大份额。基于电荷补偿原理的超结功率MOSFET,比传统的MOSFET具有更低的比导通电阻。尽管超结MOSFET本身存在着工艺难度大、体二极管反向恢复能力差等主要缺点,但新结构新思想的引入在一定程度上缓和了这些问题。超结MOSFET及其理论的深入研究与完善对功率半导体器件的发展至关重要。本文通过建立超结MOSFET及半超结MOSFET的二维解析模型,研究了它们的比导通电阻与击穿电压的关系,解释了器件的击穿机理,分析了超结柱的电荷非平衡对击穿电压的影响等问题。作为比较,本文还研究了传统VDMOSFET耐压层中常采用的非穿通型与穿通型的平行平面结的更准确的设计表达式。本文的主要创新工作为：1.考虑更准确的碰撞电离率的模型,基于数值计算的方法,提出了非穿通型与穿通型平行平面结基于Chynoweth方法的新的设计表达式。由于在考虑碰撞电离率与电场的关系时使用了更准确的Chynoweth模型,该设计表达式比传统方法利用Fulop模型得到的设计表达式更接近MEDICI器件仿真结果。作为功率器件设计的基础,本文得到的关于非穿通型与穿通型的平行平面结的表达式为器件设计人员对器件的耐压以及终端设计的参数提供了更准确的初步估算。2.提出了对称平衡的超结MOSFET的二维电场分布,解释了超结的柱掺杂浓度与柱深度对耐压机制的影响。研究发现,当耐压区不完全耗尽时,沿着几条特殊的电场线的电离率积分同时达到1是对称平衡的超结器件取得最小比导通电阻的条件,即比导通电阻的最优化设计。对于击穿电压大于600V的设计,与过去文献中准优化设计的结果相比,其最小比导通电阻可降低超过13%。该工作引入Catalan常数,给出纵向电场分布及过P柱与N柱交界面中心点的电场分布的近似指数分布,并从理论上验证了过去文献中仅用仿真结果发现的结论。（该工作发表于IEEE T-ED第59卷第10期。）3.基于电荷叠加方法和格林函数方法,提出了半超结器件的精确的二维解析模型,并给出半超结器件的比导通电阻的设计步骤。为与半超结器件的比导通电阻进行比较,对超结的柱的深宽比和击穿电压固定的超结器件的比导通电阻进行优化,从理论上验证了过去文献提出的比导通电阻与击穿电压的2.5次方的正比关系；对半超结器件的击穿电压受超结层的柱的电荷非平衡的影响的理论分析表明,最高的击穿电压发生在正的电荷非平衡条件下。（该工作发表于IEEE T-ED第60卷第3期。）

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电力电子学和功率半导体器件介绍
• 1.2 硅极限
• 1.3 超结功率器件的结构及其工作原理
• 1.4 超结功率器件的市场应用
• 1.5 超结器件的制造工艺
• 1.5.1 多步外延技术
• 1.5.2 深槽刻蚀与外延生长技术
• 1.5.3 深槽刻蚀与气相掺杂技术
• 1.5.4 深槽刻蚀与多晶硅填充
• 1.5.5 多步离子注入技术
• 1.5.6 各种工艺的比较
• 1.6 本文的主要研究工作及结构安排
• 第二章 非穿通型与穿通型平行平面结的新的设计表达式
• 2.1 半导体器件中的碰撞电离
• 2.2 过去采用电离率的FULOP模型的设计表达式
• 2.3 碰撞电离率积分的化简
• 2.4 NPT型结构的击穿电压、耐压层厚度与掺杂浓度三者之间的关系
• 2.5 优化的PT型结构的击穿电压、耐压层厚度、掺杂浓度三者之间的关系
• 2.6 结论
• 第三章 平衡对称型的超结功率器件的比导通电阻的优化设计
• 3.1 超结器件的模型研究进展
• 3.2 电场分布的近似模型
• 3.2.1 沿电场线AA’和BB’的电场的近似表达式
• 3.2.2 电场线M'CM的求解
• 3.2.3 沿电场线M'CM的电场的近似表达式
• 3.3 超结柱掺杂浓度与柱深度的关系以及比导通电阻的优化
• 3.3.1 给定击穿电压和柱宽度条件下的N～W关系
• 3.3.2 给定柱宽度的条件下比导通电阻的优化
• 3.3.3 电荷非平衡对击穿电压的影响
• 3.3.4 两种优化条件下的瞬态结果的比较
• 3.4 结论
• 第四章 梯形超结结构的二维电场分布
• 4.1 梯形超结结构的研究进展
• 4.2 梯形超结结构的解析模型
• 4.2.1 梯形超结结构的掺杂浓度分布
• 4.2.2 梯形超结结构的电势电场的求解
• 4.2.3 梯形超结结构的电场分布的近似处理
• 4.3 结论
• 第五章 半超结功率器件的比导通电阻的优化设计
• 5.1 半超结器件的简介
• 5.1.1 半超结器件的背景
• 5.1.2 半超结器件的理论研究进展
• 5.2 给定深宽比AR的条件下超结器件的比导通电阻的优化
• 5.3 半超结结构的二维电势和电场分布
• 5.3.1 电荷叠加方法
• 5.3.2 零偏超结-本征电荷层（SJ-i层）的电场分布的求解
• 5.3.3 器件仿真结果与解析模型的比较
• 5.4 给定击穿电压和深宽比条件下半超结器件的比导通电阻的优化
• 5.5 电荷非平衡对击穿电压的影响分析
• 5.6 结论
• 第六章 埋超结层的电场分布的解析模型
• 6.1 ODBR结构及其研究进展
• 6.2 埋超结层结构的电场分布模型
• 6.3 结果和讨论
• 6.4 结论
• 第七章 结论与展望
• 附录一 与本文有关的特殊函数和特殊常数
• 附录二 PT型与NPT型平行平面结的设计表达式的求解的MATLAB计算程序
• 附录三 超结的优化设计参数的MATLAB计算程序
• 附录四 格林函数的推导
• 附录五 用泊松方程求解超结-本征电荷层的二维电势电场分布
• 附录六 半超结结构的电荷非平衡对电场的影响分析
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果