30V功率UMOSFET的研究与设计

摘要

作为电力电子的核心元件，功率半导体器件一直应用在电力设备的电路控制或电能变换，亦是强电运行和其弱电控制之间的沟通桥梁，主要作用是功率管理、功率放大、变压、变流、变频等，对设备的正常运行起到关键作用。随着万物互联时代的来临，节能减排要求功率器件在保证高耐压的前提下，有更低的导通电阻。本文将完成30V沟槽型功率场效应晶体管(UMOSFET)的优化设计，在保证耐压的前提下，降低其导通电阻，从而降低导通损耗实现节能减排。　　本文首先对功率MOSFET的研究背景、发展过程和发展方向进行了概述。接下来对UMOSFET的工作原理进行了详细的介绍，讲述了不同栅极电压下其内部的物理现象，以及其耐压和导电原理。然后介绍了功率UMOSFET的重要电学参数，从半导体物理的角度详细介绍了各参数的影响因子，以及对应的调整方向。　　论文详细讲述了UMOSFET所使用的工艺，以及每步工艺对应的作用，并对UMOSFET的元胞部分(Cell)进行仿真优化设计。通过理论计算选取了初步的外延结构参数，根据仿真结果显示的耗尽层厚度对其进行了优化，成功在未降低其击穿电压的基础上减小了导通电阻。随后针对沟槽深度进行了研究，在一定范围内改变其深度，发现沟槽深度过小会导致UMOSFET击穿位置发生变化，击穿类型变成一个简单的PN结击穿，击穿电压降低。研究了不同方阻多晶硅栅电极对阈值电压的影响，对阈值电压进行了精确控制。测量了元胞部分的电学参数，均达到了设计指标。　　第四章对终端部分进行了研究。本文使用了沟槽型终端结构，其优点在于可以不需要场氧化物，从而可以节省一层光罩(Mask);其另一个优点在于沟槽型终端的长度较小，可以有效减小芯片面积，这对良品率的提升也有帮助。沟槽型终端的位置是此结构的重点，研究发现沟槽位置和氧化层厚度都会影响到终端结构的击穿位置，从而影响到其击穿电压。本文通过对仿真结果的分析，找到了其击穿位置变化的原因，并对其进行了优化选取。最后，本文根据前文的设计参数进行版图绘制，并对流片结果进行了简单分析，其流片结果基本与仿真值吻合，且达到了设计指标。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 功率MOSFET的发展过程和发展方向

1.3 本文的主要内容

第二章 功率MOSFET 的工作原理和重要参数

2.1 功率MOSFET的工作原理

2.2 功率UMOSFET的重要电学参数

2.2.1 阈值电压

2.2.2 击穿电压

2.2.3 导通电阻

2.3.1 功率UMOSFET器件的仿真原理

2.3.2 仿真计算的物理模型

2.4 本章小结

第三章 30V 功率UMOSFET 元胞优化设计及仿真

3.1 功率UMOSFET器件的工艺流程

3.2 元胞的设计及仿真优化

3.2.1 外延参数的选取及仿真优化

3.2.2 沟槽深度的选取及仿真优化

3.2.3 栅电极多晶硅方阻的选取及仿真优化

3.3 元胞结构的电学参数仿真结果

3.3.1 阈值电压仿真电路及测量结果

3.3.2 导通电阻仿真电路及测量结果

3.3.3 击穿电压仿真电路及测量结果

3.4 本章小结

第四章 终端结构的设计及仿真优化

4.1 沟槽型终端结构设计及仿真优化

4.1.1 沟槽横向位置仿真与优化

4.1.2 沟槽氧化层厚度仿真与优化

4.1.3 终端结构的电学参数仿真结果

4.2.1 版图绘制

4.2.2 裸片流片数据

4.2.3 封装流片数据

4.3 本章小结

总结及展望

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文