TPMOS的高温特性及雪崩耐量研究

摘要

本文利用ISE-TCAD软件分析了高温对沟槽-平面栅MOSFET(TPMOS)及其体二极管特性的影响。为了进一步改善TPMOS的耐压和导通电阻，在现有TPMOS结构的基础上提出了一种新的TPMOS结构，并对其各项特性进行了对比分析，提取了优化设计的结构参数。最后讨论了TPMOS雪崩耐量及失效机理。主要研究内容如下：
　　 首先，简述了TPMOS的结构特点，并对TPMOS高温特性进行了模拟分析。结果表明，温度升高会造成TPMOS耐压增加，反向漏电流增大；导通电阻增大，阈值电压和跨导减小；开通提前、关断滞后。与VDMOS相比较，TPMOS对温度更加敏感。
　　 第二，在现有TPMOS结构的基础上，将沟槽加深加宽，使沟槽栅区进入p体区并与平面栅极相连，同时沟槽拐角掩埋在p体区内靠近pn结处以缓解槽底拐角处的电场集中现象，也可挖掉更多的JFET区以减小电阻，于是形成了新的TPMOS结构。重点分析了新TPMOS器件的工作机理及关键结构参数对其特性的影响。结果表明，新TPMOS器件的导通电阻和耐压均优于现有TPMOS，开关特性稍差，且对温度的敏感度也要高于现有TPMOS。
　　 第三，对体二极管的高温特性进行了模拟和分析，提取了优化设计的结构参数。结果表明，体二极管的导通电阻具有负的温度系数，且温度越高，反向恢复特性越差。在体二极管的阳极引入n+区或在接触处挖槽，均可以有效地改善其反向恢复特性，且n+区宽度越宽，沟槽深度越深，改善越显著。接触处挖槽的体二极管特性对温度的敏感程度略低于普通的体二极管。
　　 最后，分析了TPMOS雪崩引起的失效机理及雪崩耐量，讨论了结构参数和温度变化对TPMOS雪崩耐量的影响。结果表明，在相同的结构参数下(沟槽区除外)，TPMOS的雪崩耐量高，新TPMOS结构的次之，VDMOS的最低。并且，随着沟槽深度和宽度以及元胞宽度的增加，TPMOS雪崩耐量增大。通过在接触区挖槽，减小了接触电阻，可有效地提高TPMOS器件的雪崩耐量，降低雪崩耐量对温度的敏感度。
　　 本文对TPMOS与体二极管的高温特性及其雪崩耐量的研究结果，对分析功率MOSFET高温工作的可靠性和失效机理有一定的参考价值。