超级结MOSFET特性仿真分析_王卉如.pdf

1引言功率 MOSFET 具有输入阻抗高、导通电阻低、开关速度快、工艺兼容性和热稳定性良好等优点1。垂直双扩散 MOSFET 源极和漏极分别做在芯片的上下表面，形成垂直导电通道；衬底作为漏极2，多个元胞并联能够实现大功率3。在此基础上，将超级结结构引入到 MOSFET 漂移区，周期性排列的 P 区和 N 区形成多个垂直的 PN 结4。在耐压时 P 区和 N区相互耗尽形成电荷补偿效应，通过由 N 区指向 P区的横向电场，使漂移区纵向电场分布变得均匀平缓，器件击穿电压大幅提高5。利用 Silvaco TCAD 软件建模分析超级结 MOSFET 的电流-电压特性、转移特性和耐压特性，加深超级结 MOSFET 的基础理论研究，对大规模生产和未来产品改进大有裨益。2超级结 MOSFET 原理及建模2.1工作原理超级结 MOSFET 结构示意图如图 1 所示。在其漂移区中引入了恰好能够完全耗尽的 P 区和 N 区，耗尽程度取决于 P 区和 N 区彼此之间的宽度和掺杂浓度。超级结 MOSFET 每一个元胞中存在三个超级结 MOSFET 特性仿真分析王卉如，张治国，祝永峰，贾文博，李颖，任向阳，钱薪竹（沈阳仪表科学研究院有限公司，沈阳 110043）摘要:为实现硅基 MOSFET 功率器件低导通电阻和高击穿电压的折衷优化，在传统 MOSFET漂移区中引入周期性排列的 P 区和 N 区，增加垂直分布的 PN 结结构，设计一种具有 1200V 耐压的超级结 MOSFET。基于对工作原理的分析，使用 Silvaco TCAD 软件建立结构模型，仿真该器件的电流-电压特性、转移特性以及耐压特性。由仿真结果归纳出所设计超级结 MOSFET 工作原理，并与传统 MOSFET 进行对比。实验结果显示该超级结 MOSFET 在诸多方面均存在优势，为新型硅基功率半导体器件的设计改进提供了新的思路。关键词：超级结 MOSFET；TCAD 仿真；电流-电压特性；转移特性；耐压特性DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.02.007中图分类号:TN386文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）02-0027-04Simulation and Analysis of Characteristics of a Super Junction MOSFETWANG Huiru,ZHANG Zhiguo,ZHU Yongfeng,JIA Wenbo,LI Ying,REN Xiangyang,QIAN Xinzhu(Shenyang Academy of Instrumentation Science CO.,LTD.,Shenyang 110043,China)Abstract:In order to realize the compromise optimization of low on-resistance and high breakdownvoltage of silicon-based MOSFET power devices,a super junction MOSFET with withstand voltage 1200Vis designed by introducing periodically arranged P region and N region into the drift region of traditionalMOSFET and increasing the vertically distributed PN junction structure.Based on the analysis of theworking principle,the structural model is established by using Silvaco TCAD software to simulate thecurrent-voltage characteristics,transfer characteristics and withstand voltage characteristics of the device.The working principle of the designed super junction MOSFET is summarized from the simulation results,and compared with the traditional MOSFET.The experimental results show that the super junction MOSFEThas advantages in many aspects,which provides a new idea for the design improvement of new silicon-based power semiconductor devices.Key words:Super junction MOSFET;TCAD simulation;Current-voltage characteristics;Transfercharacteristics;Voltage resistance characteristic作者简介：王卉如（1997），女，辽宁省抚顺市人，硕士研究生，主研方向：功率半导体器件，半导体压力传感器。收稿日期：2022-10-17微处理机MICROPROCESSORS第 2 期2023 年 4 月No.2Apr.，2023微处理机2023 年PN 结，分别位于源区 N+与基区 P+之间（J1），N 漂移区与 P 漂移区、P+基区之间（J2），P 漂移区与 N+衬底之间（J3)。MOSFET 为栅极电压控制型器件，当栅极电压大于所需要的阈值电压（Vth）时，在沟道处形成反型层，为电子从 N+源区进入到 N 漂移区提供输运路径。当电子通过沟道进入 N 漂移区时，会大量聚集在积累层，进而向下垂直做漂移和扩散运动，形成漏极电流。超级结 MOSFET 中 J2和 J3两个 PN 结在此过程中均为反偏状态，电子只能够在 N 漂移区和N+衬底中输运6。2.2超级结 MOSFET 结构建模建立耐压值为 1200V 的超级结 MOSFET 的仿真结构，如图 2 所示。其中，P 漂移区掺杂浓度为2.3651015cm-3，宽度为 5.2m，高度为 81m；N 漂移区掺杂浓度为 2.351015cm-3，宽度为 4.8m，高度为 81m；N+源区掺杂浓度为 81015cm-3；P+基区掺杂浓度为 1.41014cm-3；N+衬底掺杂浓度为 11019cm-3；栅极多晶硅掺杂浓度为 41020cm-3。由各参数可知，超级结 MOSFET 的漂移区掺杂浓度可以很高，在此已达到 1015数量级，而器件的耐压性能没有受到负面影响。3超级结 MOSFET 特性仿真分析3.1电流-电压特性仿真当栅极电压（VG=5V)大于阈值电压(Vth=2V)时，超级结 MOSFET 的电流-电压特性曲线随着漏电压的增加，漏电流先线性增加后保持恒定。在线性区（030V），沟道近似为一个恒定电阻，漏电流会随着漏电压线性增加。如图 3 所示为漏电压 VD=2V 时超级结 MOSFET 电子分布情况。当源极接地（VS=0V)、栅极电压 5V 时，P+基区表面形成反型层，此时 PN 结J2和 J3反偏，耗尽层刚刚开始展宽，整个矩形 N 漂移区都是电子输运通道。如图 4 所示为超级结 MOSFET 工作在非线性区（VD=37V）电子分布情况。当漏电压增加处于非线性区时，漏电流的增加变缓，脱离了线性关系。J2和J3的耗尽层持续展宽，导致电子输运通道变窄。如图 5 所示为超级结 MOSFET 工作在饱和区（VD=100V)电子分布情况。此时漏电流保持恒定，J2和 J3的耗尽层继续展宽，导致沟道内一部分反型层宽度减小到零，此现象称为沟道夹断，夹断发生部位称为夹断点。夹断以后，从源极到夹断点的载流子数图 2超级结 MOSFET 仿真结构模型图 1超级结 MOSFET 结构栅源源漏P+基区P+基区N+衬底N+N+积累层沟道沟道NPPJ1J1J2J2J3J3长度/mN+NPPWN=9.6mWP=5.2mNA=2.3651015cm-3ND=2.351015cm-3ND=11019cm-3图 3线性区电子分布仿真N+NPPJ2J3长度/mJ1图 4非线性区电子分布仿真N+NPPJ2J3J1长度/m282 期量保持不变，所以夹断点的电压保持在饱和漏电压不变。J2持续的展宽使更多电子被固定在耗尽层，自由电子的输运通道持续变窄。J2随着漏电压增加而横向展宽，空间电荷区形成均匀的横向电荷耦合电场，能够阻挡极大的漏极电压，从而增加功率半导体器件的耐压值。3.2转移特性仿真分析超级结 MOSFET 器件的转移特性是漏电流随栅电压的变化曲线。阈值电压是半导体表面恰好达到强反型时所对应的栅电压。如图 6 所示为 P+基区不同的掺杂浓度对转移特性的影响。可以观察到，随着 P+基区掺杂浓度的提升，阈值电压线性增加。精确控制集成电路中各 MOSFET 的阈值电压，对可靠的电路工作而言不可或缺7。通过改变 P+基区掺杂浓度即可精确地控制杂质的数量，阈值电压从而可以得到严格的控制。3.3耐压特性仿真分析超级结 MOSFET 是由垂直反偏的 PN 结承担漏极电压。改变 P 漂移区高度（LD,P）就意味着增加了耗尽层厚度，而耗尽层越厚，耐压性能越强。如图 7 为不同 P 漂移区高度对击穿电压的影响。P 漂移区高度在 010m 时对击穿电压的影响并不大，此时的横向电场很弱，不足以阻挡很大的漏电压8。图 7 中超级结 MOSFET（LD,P=81m）的击穿电压为 1213V，而传统 MOSFET（LD,P=0m）的击穿电压为 104V，下降率达到 91.43%，可见超级结的引入对 MOSFET 的耐压性能提升具有重要意义。4结束语基于于对超级结 MOSFET 基本结构及工作原理的分析，利用 Silvaco 软件建立了耐压值为 1200V的超级结 MOSFET 的结构模型，并进行了电流-电压特性、转移特性和耐压特性的仿真分析。超级结独特的二维电荷耦合结构可以使漂移区保持高掺杂，意味着超级结 MOSFET 可以同时实现低导通电阻和高击穿电压，这对于硅基功率器件的研制与相关技术的发展具有重要意义。参考文献：1孙伟锋,张萌,王钦.30V 沟槽 MOSFET 优化设计J.微电子学,2008,38(3):338-341.SUN Weifeng,ZHANG Meng,WANG Qin.Design and opti-mization of 30V trench MOSFETJ.Microelectronics,2008,38(3):338-341.2郑莹.功率 VDMOS 器件设计及研制J.电子元件与材料,2016,35(5):52-55.ZHENG Ying.Design and fabrication of power VDMOSdeviceJ.Electronic Components&Materials,2016,35(5):52-55.3陈龙,沈克强.VDMOS 场效应晶体管的研究与进展J.电子器件,2006,29(1):290-295.CHEN Long,SHEN Keqiang.Research and progress of VDMOS field-effect transistorJ.Chinese Journal of ElectronDevices,2006,29(1):290-295.4杨永念.一种 900V 超结 VDMOSFET 器件的设计与仿真J.电子与封装,2015,15(3):29-34.YANG Yongnian.Design and simulate of high voltage S-JVDMOSFETJ.E