（微电子学与固体电子学专业论文）基于tcad的vdmos功率器件仿真研究.pdf

中文摘要 中文摘要 功率v d m o s 是功率电力电子的主流产品之一。它具有高输入阻抗、高开关速 度、很好的热稳定性以及宽安全工作区等特点，广泛地应用于马达驱动、开关电 源、汽车电子、节能灯等各种领域。根据本课题组研究工作可知，v d m o s 功率器件 的研制在我国目前还属于起步阶段，对于高压v d m o s 的研究还不够成熟。因此本 课题旨在设计v d m o s 功率器件模型并对其进行仿真研究。通过计算和仿真分析找 出高压v d m o s 器件结构最佳化的设计，器件达到漏源击穿电压6 5 0 v 的基本要求。 本文介绍了v d m o s 功率器件的基本结构和工作原理及v d m o s 的静态和动态两 部分的特性参数。静态特性中关键的就是击穿电压和导通电阻的权衡问题，而动 态特性主要是对寄生电容和开关特性进行分析。 器件设计方面，从结构及参数出发进行设计计算，并分析了元胞基本结构， 在满足预计设计的击穿电压基础上，设计了器件各部分的掺杂浓度，根据v d m o s 的基本设计参数，做出网格分布图及半胞结构图，利用m e d i c i 软件对器件的静态 特性和动态特性进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。 在静态特性中，主要对击穿电压，i - v 输出特性、转移特性进行了仿真分析。 随着温度的增加，阈值电压减少。在动态特性方面，主要对电容特性和开关特性 进行仿真分析，得出比较满意的结果，达到设计要求。 关键词：v d m o s 功率器件：击穿电压；导通电阻；m e d i c i 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rv d m o si saw i d e l yu s e dp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c ei ns w i t c h e d m o d e l p o w e rc o n v e n e r s ，m o t o r c o n t r o l ，a u t o m o t i v e e l e c r t o n i c s ，l a m pb a l l a s t s ，a n ds of o r t h ， b e c a u s ei to f f e r sb e t t e rp e r f o r m a n c ei ns w i t c h i n gs p e e d ， i n p u ti m p e d n a c e ，t h e r m a l s t a b i l i t ya n ds a f e t yo p e r a t i n ga r e at h a nb i p o l a rp o w e rt r a n s i s t o r t h er e s e a r c ho nh i g h v o l t a g ev d m o sh a sn o tb e e nm a t u r e t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i s i st o d e s i g na n d s i m u l a t ev d m o s p o w e rd e v i s em o d e l t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fs t r u c t u r eh a sb e e n f o u n do nh i g h - v o l t a g ev d m o sb yc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o na n a l y s i s t h eb a s i c r e q u i r eo ft h ev d m o sd e v i s ea c h i e v e sb r e a k d o w nv o l t a g ea b o u t6 5 0 v t h ea r t i c l ea n a l y z e di t sb a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e s t a t i ca n dt r a n s i e n ts t a t e p r o p e r t yp a r a m e t e r sh a v eb e e nd i s c u s s e d t h ek e yo n ei nt h es t a t i cs t a t ei su s e dt o o v e r c o m et h et r a d e o f fb e t w e e nb r e a k d o w nv o l t a g ea n do n r e s i s t a n c eo fp o w e r v d m o s p a r a s i t i cc a p a c i t a n c ea n do n o f fs t a t eo ft r a n s i e n t p r o p e r t y h a v e b e e n a n a l y z e d i nt h es t r u c t u r ed e s i g np r o c e s s ，t h et h e s i sd e s i g n e da n dc a l c u l a t e dp a r a m e t e r s t h e e s s e n t i a lc e l ls t r u c t u r eh a sb e e na n a l y z e d i td e s i g n e dd o p i n gc o n c e n t r a t i o no fv d m o s d e v i s ee a c hs e c t i o nt o s a t i s f yr e q u i r e db r e a k d o w nv o l t a g e e v e n t u a l l y ，b a s e do n p a r a m e t e r sd e s i g n e d ，m e s hd i s t r i b u t i o na n dh a l fac e l ls t r u c t u r ep l o t sh a v e b e e n o b t a i n e d w i 也m e d i c is o f t w a r e ，t h es t a t i ca n dt r a n s i e n ts t a t ep r o p e r t yh a v eb e e n s i m u l a t e d ，a n dt h er e s u l t sh a v e b e e na n a l y z e d i nt h es t a t i cs t a t e ，t h ep a p e rs i m u l a t e db r e a k d o w n ，i vo u t p u tc h a r a c t e r , t r a n s f e r c h a r a c t e r w i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h et h r e s h o l dv o l t a g ed e c r e a s e d i nt h e t r a n s i e n ts t a t e ，c a p a c i t a n c ea n do n - o f fc h a r a c t e rh a v eb e e ns i m u l a t e di no r d e rt os a t i s f y d e m a n do ft h ev d m o sd e s i g n e d k e y w o r d sv d m o sp o w e rd e v i c e ；b r e a k d o w nv o l t a g e ；o n r e s i s t a n c e ；m e d i c i 1 1 黑龙江大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕴堑太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名： 答字日期：叩引d 月硼 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨垄婆太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 签字醐矽f 7 引棚万日 学位论文作者毕业后去向： 导师等名：颤巍 签字日期：2 夕年内月心日 工作靴呈以彳勺向螈 通讯地址：乡z 匀袭确了9 稚 慌 鼋宁留7 伊7 2 ， | sl ，9 s 口 第1 章绪论 第1 章绪论 i i课题研究的目的与意义 功率m o s 场效应晶体管是在m o s 集成电路工艺基础上发展起来的新一代电 力电子开关器件【l 】【3 1 ，在微电子工艺基础上实现了电力设备高功率大电流的要求。 自从垂直双扩散的v d m o s ( v e r t i c a ld o u b l e d i f f u s e dm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 新 结构诞生以来，m o s f e t 得到了迅速的发展。作为集成电路的一个发展方向的功 率器件，越来越显现出自身的优势和强大的前进动力。由于其应用范围不断扩大， 产品的需求量也变得越来越大。人们对功率器件的研究也随之日渐深入。 功率器件主要包括i g b t 、v d m o s 、t r e n c hm o s f e t l 4 】等，而v d m o s 是其 中最为重要器件之一。v d m o s 由于具有开关速度快、高输入阻抗、热稳定性好、 具有良好的电流自调节能力、具有负的温度系数、没有二次击穿等优点，在各种 功率开关应用中越来越引起人们的重视。然而对于高压v d m o s 目前还是设计上 的一个难点【5 1 。为了得到高性能的半导体器件，需要合理地选择和调整各工艺流程， 选择最佳的工艺条件，即进行工艺优化。过去只能采用“流片 法即采取试片方 法进行多次的反复试验，这种方法既费时又费钱，经常还得不到理想的结果。目 前随着计算机技术和计算方法的发展，以及对于各个工艺的基本物理过程的深入 了解，现在已经可以将要分析的工艺过程以数学形式进行模拟，或者列出比较公 认的经验公式，然后通过计算机分析数值求解。这时不再需要实际的工艺设备和 准备各种实验条件，就能对各种不同的工艺条件进行模拟的分析比较，大大降低 了设计成本。因此近年来工艺模拟技术得到了广泛的重视和飞速的发展。因此对 v d m o s 器件的设计与仿真能够为接下来的工艺流片提供很有价值的信息和优化 的工艺方案，仅通过简单的器件物理方程是无法得到的想要的结果的，利用软件 仿真，既能得到相应的特性参数又能节省资金为后续工作提供强有力的设计依据。 v d m o s 于2 0 世纪7 0 年代初被发明，并伴随着m o s i 艺的成熟迅速商业化，因 黑龙江大学硕士学位论文 为其具有高的功率增益、电压控制、高的输入阻抗、开关速度快和热稳定性好等 比较明显的优势，v d m o s 在许多领域都迅速取代b i p o l a r 晶体管，成为现有最常用 功率电子器件之一。 随着目前工业电动化的程度越来越高，v d m o s 器件的重要地位正日益显现 出来。而高压v d m o s 器件的设计中需要考虑实际生产中各项工艺参数对具体设计 参数的影响。但设计不同器件时通过实际生产来验证工艺参数需要很高的成本。 利用计算机软件模拟对器件的制造过程进行虚拟制造，将大大节约实际生产中的 调试时间和成本。 现今都广泛采用计算机e d a i 具进行电子电路的设计和验证。对器件模型的 设计是连接器件设计和电路设计的桥梁。在v d m o s 器件中，因为纵向器件结构和 轻掺杂漂移区的存在，功率器件的导通电阻和密勒( m i l l e r ) 电容随栅( g a t e ) 漏( d r a i n ) 和栅源( s o u r c e ) 电压变化会呈现出高度的非线性，加之高功率损耗造成的温度升 高，使器件建模复杂化【7 】【8 1 。因为v d m o s 器件模型的欠缺，电子线路板( p c b ，p r i n t e d c i r c u i tb o a r d ) 这样的实验验证的低级阶段还出现在许多功率电子电路的设计中。 虽然最为直接准确的方法就是实验验证，但是却成本太高，耗时又费力，偶尔还 会出现危险性( 如爆炸和燃烧等) ，而且对一些高级仿真和验证( 容差分析等) 还不能满足，使系统的优化设计变得困难重重，同时无法缩短开发周期。当然电 路和器件的混合仿真可以避开器件模型缺乏问题，但是由于其只能完成一些非常 基本的功能，而且收敛性差和仿真速度慢，又无法满足电路设计所面临的复杂条 件。所以，对高压v d m o s 器件的建模研究具有重要的理论和现实意义。 1 2v d m o s 功率器件的国内外研究状况及分析 1 9 5 7 年的晶闸管的问世标志世界电力电子技术的诞生，从那以后电力电子器 件得到了迅速发展。在1 9 7 9 年v d m o s f l q h w c o l l i n s 等人提出后，逐步改变了之 后整个功率半导体器件的面貌【】。m o s 器件和晶闸管在上世纪八十年代是并行发 展的。到了九十年代m o s 器件迅速占领了绝大部分的中小功率器件的市场。至今 经过近二十余年的发展，在国外市场商用v d m o s 产品e l 趋成熟。现有功率m o s 第1 章绪论 研究方向主要有两个，分为低压和高压两个方向。低压领域，系统对电源的要求 日趋低压、大电流化【2 】，功率m o s f e t 的发展必须符合新的要求。例如对便携式电 源而言，降低损耗缩小体积成为其首要目标；对电脑c p u 而言，又要求m o s f e t 用于愈来愈低电压的电源。高压领域中，由于i g b t 比v d m o s 的导通电阻更低， 就使得v d m o s 在整体性能上不女h i g b t t 3 1 。近年来， 于s u p e r j u n c t i o n 新结构的提 出加上s i c 新材料的应用，使得v d m o s 在高压下的导通电阻大为降低，甚至低于 i g b t ，这就为高压v d m o s 开拓了新的发展方向f l l 】。 电力电子技术越来越突出地显现出在国民经济中的地位和作用，是弱电和强 电之间的桥梁，是信息产业和传统产业的重要接口，是传统产业现代化和发展机 电一体化及其它高科技技术的关键得基础技术。出现电力电子器件及其技术为人 类有效利用电能提供了新的方t 9 1 。在电力电子学诞生以后，人们把相应的半导体 学科分成了两个分支：一个是以大功率半导体器件为代表的电力电子学科，另一 个则是以集成电路为核心的微电子学科。前者功率越来越大，后者集成度越来越 高。近年来，不断扩大的应用领域，要求集成高还要大有功率的器件，这就不得 不把半导体学科的两个分支结合在一起，于是出现了功率集成电路，这样就把“信 息 和“功率”合二为一。 电力电子器件在节省电能的方面有很大的潜力可挖掘，并且由于m o s 器件的 加入，使它在中小功率环境中的应用有了迅速发展。过去认为只对功率很大的工 业控制提出节约能量才重要，现在却越来越认识到对量大面广的日用电器节能也 显得同样重要。单个日用电器虽然其用电不多，但是由于其量大，电能的消耗也 是非常巨大的。同时节能甚至对功率很小的便携式电器也显得很必要，因为在减 少用电消耗的前提下，可延长电池使用时间。现今，在新一代m o s f e t 的影响下， 电池的使用时限增加了1 4 倍，这对便携式电器是非常有利的。 美国从2 0 0 0 年起投资5 亿美元实施“国家半导体照明计划”。美国能源部预测， 到2 0 1 0 年前后，美国将有5 5 的白炽灯和荧光灯被半导体灯具替代，每年仅节电就 可达3 5 0 亿美元，作为半导体灯驱动电路的功率器件v d m o s 具有巨大的市场潜力 0 2 1 。 黑龙江大学硕士学位论文 i ie li_ i e 功率v d m o s 是近年来发展很快的一个方向，它利用了在同芯片上获得双 极、c m o s 和d m o s 器件兼容的b c d 技术，能够实现包含有功率、保护、传感和逻 辑控制等功能的电子线路集成。它的基本功能是使功率和信息相结合，成为机、 电的重要接口，因为装置采用了p i c ，可使电源部分的体积有所缩小、重量会减轻、 寄生参数减小、性能改进、可靠性随之提高，从而就会使装置的成本降低。目前 已被广泛应用于开关电源、家用电器、电机驱动等方面。 正是因为功率集成电路在各个领域都有广泛的用途，国外在这方面做了深入 的研究【1 0 】，例如国际上一些半导体公司，包括h a r r i ss e m i c o n d u c t o r 、t e x a s i n s t r u m e n t 、a t & t 、p o w e ri n t e g r a t i o n s 、i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r 、p h i l i p s 和s g s t h o m s o n 等公司都在向这方面发展，但是目前国内对于这方面的研究还正处于起步 阶段，不管是电气参数，还是可靠性的等级水平方面都凸显出明显的劣势。因此， 对于功率集成电路德研究和设计有助于弥补我国在这方面的空缺，同时也会促进 我国电子行业的发展。 目前国际上功率v d m o s 己经形成规模化生产，产品批量投放市场。n 沟功率 m o s 己有3 0 0 0 多个品种在市场上销售，同时p 沟功率m o s f e t 也有5 0 0 多个品种在 市场上大量销售。功率m o s f e t 产量最大的公司是美国的m o t o r o l a 公司、i r 公司、 h a r r i s 公司，欧洲的s g s 公司，在亚洲只有日本的东芝、日立等公司也具有相当大 的生产规模。目前美国的i r 公司最新推出的产品能够在击穿电压为1 0 0 v 低压的情 况下将电流提高到了1 7 5 a 的大电流程度。此外，还有德国的s e m i k r o n 公司、美 国的a p t 公司，i x y s 公司，亚洲的日本富士公司、三菱公司，韩国的三星公司等。 v d m o s 器件的工艺是在n + 衬底的 晶向上生长n 高阻外延层，那么同 时外延层的厚度以及它的掺杂浓度直接决定着v d m o s 的击穿电压的高低数值， v d m o s 是在外延层上采用平面自对准双扩散工艺，通过这样的工艺在水平方向形 成与m o s 结构相同的多子导电沟道，多子导电沟道的长度一般只有1 2 um 。 一种新型的p f v d m o s 在新加坡国立大学被研制出来，实现p 柱制造是通过 开槽淀积的方法，并在n 柱与p 柱之间生长一层薄氧化层，这样就解决了两者杂 质的相互扩散问题【1 3 】。还有另一种o b v d m o s ，把p 柱作为一个可调制电极，从 第1 章绪论 _n_in 而打破了s u p e r j u n c t i o n 导通电阻的理论极限1 1 4 】。因为s i c 具有高的电子饱和速度、 高击穿电场、高热导率等独特的材料属性，从而在高速开关器件、高温、高功耗、 中具有巨大的可被开发的潜力，因此s i c 与s i 的主要特性相比，在6 0 0 - 2 0 0 0 v 范 围内【”j ，用s i 做的i g b t 不如用s i c 做的v d m o s 更具有优越的性能。1 9 9 9 年特 征电阻8 2 m f 2 c m 2 ，击穿电压1 8 0 0 v 的功率m o s f e t 被p e t e r s 等人研制出，比相 同的s i 材料v d m o s 的导通电阻整整降低了一个数量级以上。美国p u r d u e 大学研 制的s i cu m o s 结合了t r e n c h 技术，创造了导通电阻为1 9 9 r n o c m 2 ，阻断电压为 3 3 6 0 v 的新纪录【l6 1 ，这显示出s i c 在高压领域具有广阔的研发前景。 功率v d m o s 具有着广泛市场前景，只考虑其在照明驱动这一块就有巨大市场。 “绿色照明工程”是1 9 9 7 年我国启动的一项重要的节能举措，其重要目标之一是 取消白炽灯，用采用电子镇流器和紧凑型荧光灯组成的一体化节能灯代替。可节 约电能8 0 。“九五”期间，推广各种节能灯3 亿只以上，节约电力建设资金( 4 9 0 6 3 0 ) 亿元。目前普遍使用的电感镇流器消耗的功率达到所配用荧光灯功率的2 0 到 6 6 ，采用电子镇流器将节能2 5 到3 5 。电子镇流器的主体为一对用做振荡的功 率管，目前国内生产的仅有双极型的晶体管，而节能效果更为明显的功率m o s 还在 研发阶段1 1 2 】。 我国陈星弼院士在1 9 9 8 年提出了功率器件耐压层新结构及理论【1 7 1 ，也就是日 后在国际上普遍被称为s u p e o u n c t i o n 的高压m o s f e t 新结构，s u p e r j u n c t i o n 理论 一经提出，突破了v d m o s 在高压领域遇到的瓶颈，尤为特殊的是耐压的高低是 由于p 柱与n 柱的电荷补偿程度所决定的，因此p 柱的实现与精确控制和解决 s u p e r j u n c t i o n 技术高成本和复杂的工艺成为s u p e o u n c t i o n 的技术难点。s i c 因其独 特的材料属性，例如高击穿电场、高热导率、高电子饱和速度，在高功耗、高温、高 速开关器件中具有巨大的应用潜力( j s j ，s i c 的功率处理能力明显优于s i 。垂直双 扩散m o s ( v d m o s ) 晶体管具有输入阻抗高、开关速度快、电压控制、工作频率 高、热稳定性好等一系列特点，目前已在开关稳压电源、高频加热、计算机接口 电路以及功率放大器等方面获得了广泛的应用【侈】。 目前，我国有研究者对比研究了4 h s i c 和6 h s i cv d m o s 的基本特性【1 8 】。 黑龙江大学硕士学位论文 得出一些结论：一是准饱和效应对6 h s i cv d m o s 的影响比较大；二是4 h s i c v d m o s 具有较高体迁移率( 与6 h s i cv d m o s 相比) 。证实了4 h s i c 器件具有 更高的电流密度，相比之下在器件开关时间和单位面积损耗的分析和研究中表明 4 h s i c 更适合用于功率器件。除此之外，漏极饱和电流会受到沟道长度一定的影 响，当沟道长度减小时，漏极饱和电流会随之增大。 传统的v d m o s 功率器件导通电阻受击穿电压限制而存在一个极限称之为 “硅限( s i l i c o nl i m i t ) 而无法再降低。为了突破这个极限，许多新结构器件不断涌 现出来，超结v d m o s 就是其中比较成功的一种，和一般的v d m o s 结构相比，超 结v d m o s 采用交替的p n - 结构替代传统功率器件中低掺杂漂移层作为电压支持层 【2 0 】。在这样的结构支持下，超结v d m o s 电压支持层的杂质掺杂浓度完全可以可以 提高一个数量级，此外，因为垂直方向上插入p 型区，这样就可以补偿过量的电流 导通电荷。如果加上反向偏置电压时，产生一个横向电场，将会使p n 。结耗尽，当 漂移层完全耗尽，就会起到电压支持层的作用。因为掺杂浓度的大幅度提高了， 导通电阻r 。就可以大大降低，甚至低到突破“硅限( s i l i c o nl i m i t ) ”，同样，在相同 的相同的导通电阻“、击穿电压下使用更小的管芯面积，就会减小栅电荷，也会 提高开关频率。这样超结器件可以同时得到高开关速度和低通态功耗。 随着v d m o s 器件的广泛应用，对v d m o s 器件静态物理模型也有了大量研究。 研究v d m o s 器件的静态物理模型的意义主要有两点：一是增加对v d m o s 器件物 理机制的理解；二是在v d m o s 器件静态物理模型的基础之上，建立可以嵌入到电 路模拟软件中的等效电路模型。特别是后者，对于高压集成电路的设计是必需的， 也是至关重要鲥2 1 】。 功率v d m o s 管是在外延片上制作的，由于一个管芯包括几千个元胞，故要求 光刻精度高、线条细。所以对外延片的电阻率均匀性要求高，对外延片表面的颗 粒度和平整度要求也高。目前，南京国盛电子有限公司的v d m o s 外延片系列品种， 在国内几家公司的主要生产线上所占比例大于8 5 ，同时已有几家国外的公司也开 始批量应用。v d m o s 管普遍用于汽车电子、手机、充电器、高频加热、节能灯等 领域，特别作为电力电子器件，受到市场的追捧，从2 0 0 1 年蛰j 2 0 0 6 年，年增长率 第1 章绪论 超过3 0 1 2 2 1 。 大直径功率v d m o s 管用硅外延片，主要用于v d m o s 系列管的制作。对材料 提出了多方面的要求，从衬底使用方面包括掺a s 和掺s b 衬底，从器件击穿电压分 类包括6 0 v 、7 5 v 、2 0 0 v 、4 0 0 v 、5 0 0 v 、6 0 0 v 、8 0 0 v 、9 0 0 v 等，从器件控制电流 分类又包括1 a 到10 a 。 目前v d m o s 新型电力电子器件是向着智能化、高耐压、多功能、模块化、大 容量方向发展，是1 0 k w 以下中等电压领域电力电子应用中的主流。经过几年的攻 关，到目前为止我国v d m o s 己研制出了十几个品种，同时也引进了生产线新技术。 但我国现有的生产水平与国际先进水平相比，还存在较大的差距，无论是在研制 能力上还是生产能力上。目前国内的汇能电力电子有限公司北京电力电子总公司、 还有辽宁电力电子集团公司都是产量较大的公司。v d m o s 年需求量2 0 0 万只以上。 目前我国已经研制了几种v d m o s 器件，在小功率的v d m o s 器件方面也有一 定的产量，据报道杭州士兰、绍兴华悦与上海新进都在进行1 0 0 v 以下v d m o s 的试 量产。许多科研院所和高校也正在对v d m o s 进行着大量的研究，但我国中等功率 和大功率的v d m o s 器件方面的产量几乎没有。现如今，在国内v d m o s 器件仍然 有巨大的市场缺口。 在功率v d m o s 的纵向智能功率方面，国内的研究刚刚起步。浙江大学、电子 科技大学、北京工业大学、江苏大学以及中国电子科技集团4 7 所及2 4 所对这方面 有了初步研究，但大都集中在了横向功率器件方面，纵向智能功率方面目前基本 空白。 1 3本课题的主要研究内容 本课题旨在设计v d m o s 物理器件模型并进行仿真研究。从v d m o s 功率器 件基本理论出发，利用日益成熟的m e d i c i 软件，对设计的器件进行仿真，达到 设计需要的性能。由于本课题的v d m o s 功率器件是物理结构的仿真，因此可以 对v d m o s 器件进行结构优化设计。除此之外，还需要重点考虑的与v d m o s 密 切相关的参数与特性。本课题通过计算分析找出v d m o s 器件结构最佳化设计， 黑龙江大学硕士学位论文 器件达到击穿电压6 5 0 v ，并留有2 5 的余量( 即约8 1 2 v ) 的基本要求。主要研 究内容如下： 1 通过分析v d m o s 的基本特性和原理，为高压v d m o s 器件的优化设计提 供理论依据； 2 通过优化公式计算并设计器件的基本结构参数： 3 通过结构设计，编写程序仿真，建立网格分布，对静态特性和瞬态特性分别 进行了仿真并分析仿真结果。 第2 章v d m o s 功率器件的基本原理 第2 章v d m o s 功率器件的基本原理 v d m o s 功率器件由于具有高输入阻抗，热稳定性好，开关速度快，具有负的 温度系数，良好的电流自调节能力，没有二次击穿，安全工作区域大等优点，在 各种功率开关应用中越来越引起人们的重视。 本章将从v d m o s 的特点，结构及原理等方面进行介绍。 2 1v d m o s 功率器件的特点及应用 2 1 1 器件的特点 不同结构的，究其根本都是通过适当选取p 区和漂移区的电阻率以及漂移区长 度【2 3 】，使其能够承受较高电压而不会产生穿通或者击穿；由两次扩散的横向结深 差来决定沟道长度，这样它可以不受光刻精度的限制做的很小。功率m o s f e t 实 现高压大电流的基础恰恰是由这种结构决定。 与功率m o s f e t * i | 比l d m o s 管芯占用了太大的硅片面积，使硅片表面利用率 不高，从而也就决定了较差的器件频率特性，而v m o s 由于将沟道区、漂移区和漏 区从硅片表面分别转移到硅片的体内和底部，因此硅片被占用的表面积显著缩小， 硅片表面的利用率和频率特性也就提高了。 v m o s 分为利用v 型槽实现垂直导电的v v m o s t 2 4 1 ，v n m o s ，v u m o s ， u d m o s t 2 5 】等几种。最先出现的是v v m o s ，它的缺点是尖端拥有太强的电场，影 响了击穿电压的提高，同时栅氧化层易受沾污，导通电阻大，会造成阈值电压不 稳；为了克服v v m o s 的缺点，随后出现了v u m o s ，尖端电场问题基本被解决了， 但却没有解决栅氧化层的沾污问题。而且这两种器件有二个共同的缺点，就是不 好控制v 型槽的腐蚀，经常会影响参数，造成参数不稳定。之后出现的u d m o s 器 件是由若干个单胞并联而成的，沟槽处为栅极，漏极由背部引出，n 矛l ：i p + n 短接作 为源极。当栅极电压大于器件开启电压时，反型沟道在沟槽侧壁p 区表面形成了， 于是漏源电流在漏源电压作用下产生。 9 黑龙江大学硕士学位论文 i | l - - i i i | i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 为了克服上述几种器件结构的缺点，v d m o s 稳步的提高了耐压能力和电流水 平，v d m o s 是以栅极电压控制负载电流，属于电压控制型器件【1 2 1 。具有十分优良 的电学性能，具体描述如下： 1 v d m o s 属于多子导通器件，因此无少子存贮效应，从而得到开关速度快， 开关损耗小、工作频率高的特点。 2 功率v d m o s 器件是短沟道器件，跨导线性高，放大失真小，双极晶体管无 法达到这一点。 3 v d m o s 是由电压控的功率器件，具有驱动功率小，输入电流小，输入阻抗 高，驱动电路简单，电流增益大的特点。 4 一般不出现二次击穿现象，因为电流通道上无p n 结，安全工作区宽，易于 大功率合成。 5 漏极电流热的稳定性好，具有负温度系数。 在高压的电路应用中因为v d m o s 自身的这些优点，v d m o s 逐步占领了许多 双极型功率器件原来所占据的领域。此外，功率v d m o s 器件在武器装备和国防科 技以及国民经济的发展中都产生着极其重要的影响，在武器装备、军事通信等国 防领域尤其是最近几年更显得突出，例如在电台、电子对抗、通信发射机、主战 坦克装甲车载通讯、雷达等领域应用得越来越普遍，而且同时具有着优良的性能 及可靠性。更重要的是，v d m o s 的工艺兼容传统的c m o s 工艺，v d m o s 的加工 生产完全可以用目前现有的大规模集成电路的生产线，同时，国外上世纪九十年 代开始研制的智能功率集成电路( 简称s e i c ) ，将c m o s 集成电路与v d m o s 集成在 同一块芯片上，以便完成更加强大的功能。虽然使用v d m o s 的s p i c 同使用l d m o s 的s p i c 相比存在着背面引出电极的问题，但对芯片面积的节省在此工艺成熟后将 大大的节约生产成本。同时含有v d m o s 的纵向智能功率集成电路有其固有的优 势，体现在中高电压、中高电流方面，在功率器件智能化的发展历史中必然会显 现出重要的地位。 综上所述，功率v d m o s 的导通电阻、电流处理能力和器件的耐压等特性均最 佳、使用最广、发展最快。它准确地离子注入能得到理想的杂质分布，是因为采 第2 章v d m o s 功率器件的基本原理 用超大规模集成电路微细加工工艺的结果，单元密度高达1 8 6 x 1 0 4 个c m 2 ，也源于 采用多晶硅布线，多单元并联结构。 2 1 2 器件的应用 功率v d m o s 主要应用范围有以下几个方面： 1 在在电力电子技术中的应用 ( 1 ) 体现在开关稳压电源方面，功率v d m o s 可以在提高工作频率、提高效率、 降低成本、减小体积、减轻重量等方面得到很大幅度地优化； ( 2 ) 具有高频率、高效率、简单可靠等优点，体现在超声波加工、高频加热等 设备中，用做主功率振荡和放大器件； ( 3 ) 作为功率变换器件应用在变换器中，特别是在中小功率变换器中，由于其 开关速度快，驱动简单的特点，大大改善了变换器的性能。 2 在计算机中的应用 基于功率v d m o s 的特性，驱动信号我们可以直接用集成电路的逻辑信号，各 类执行部件由输出数安培电流带动。用功率v d m o s 做接口，具有电路简单的特点， 跟其它功率器件相比，使用较少的元器件，不但体积小重量轻，同时具有速度快， 工作可靠高等优点。使用v d m o s 现在可以方便地实现许多原先无法实现的系统。 3 应用在高频范围内 由于是多数载流子导电器件，又具有很短的功率v d m o s 沟道，所以都有很高 的截止频率，v d m o s 功率器件在高频范围内跟双极型功率器件相比具有明显优 点，因此日益广泛的应用在通信，微波雷达等设备中。 4 在音响设备中的应用 功率v d m o s 器件线性转移特性非常理想，因此，失真度在利用它来制造音响 设备的情况下可以大大降低，不但能简化电路，更容易实现各种保护功能，因而 大量高保真音响设备中会运用它。 黑龙江大学硕士学位论文 n m ni - - - i n t i i i i i i i 2 2 v d m o s 器件的基本特性 2 2 1 器件的技术特点 功率v d m o s 管的负载电流是由栅极电压控制得，属于压控型器件，因而驱 动功率小成为它的特点；又因无少数载流子存贮效应，所以安全工作区域宽和开 关速度快成为了它的优点。设计器件最大输出电流的重要参考因数之一就是 v d m o s 的准饱和现象。它的具体的技术特点如下： 1 具有高输入阻抗和低驱动功率的特点 功率v d m o s 管其输入阻抗通常在1 0 1 1q 以上，是因为它是电压控制型器件。 几安到几十安的电流输出可以由l o o n a 量级得驱动电流控制，直流电流增益达 1 0 8 1 0 9 ，功率消耗极小口8 1 。c m o s 、”见集成电路和其他高阻器件可直接与 v d m o s 栅极连接，由于良好的工艺兼容性，大大简化了驱动电路的设计。 2 具有准饱和效应的特点 由于功率v d m o s 是特殊的垂直导电结构通道，一般m o s f e t 的准饱和现象 与功率v d m o s 相比有区别，准饱和效应指v d m o s 的输出电流达到一定限度以 后，漏源电流随着栅压升高几乎不变，随着漏压升高不饱和的现象2 9 1 。v d m o s 的最大输出电流受到了准饱和现象的限制。研究指出，载流子在外延层达到速度 饱和才造成了准饱和现象，所以体区p 阱之间距离与输出电流的最大值是成正比 关系的。 3 具有开关速度快的特点 跟双极型晶体管相比v d m o s 管的开关速度快得多，因为其为多子导通器件， 还有开关损耗小，没有尾电流的特点，因此不需要存储时间，双极晶体管在lus 量级，而v d m o s 管的开关时间一般为l 1 0 n s 量级。功率v d m o s 在开关电源的 重要领域之外，还可以应用于微波炉、通讯等其他高频领域。 4 具有更宽的安全工作区域的特点 对比双极型功率器件，。因为随结温升高其少子注入密度增加，也就是电流增 大，可能造成热击穿器件。没有二次击穿现象、具有电流负温度系数的功率 第2 章v d m o s 功率器件的基本原理 v d m o s 。随着温度升高其通态电阻增大，不会引起由于局部电流突然增大，因为 没有由热电正反馈而引起的二次击穿，使得安全工作区增大。因此功率v d m o s 允许元胞之间并联和器件之间并联。 2 2 2 器件的静态特性 导通电阻、阈值电压和击穿电压是v d m o s 器件最重要的指标性参数，它的 性能高低决定着产品的市场竞争力，也是v d m o s 模型需要反映的重点参数。 1 导通电阻( o nr e s i s t a n c e ) 一般截至区( c u t o f f r e g i o n ) 或线性电阻区( l i n e a rr e g i o n ) 是开关器件的工作区。 线性电阻区的电阻即导通电阻，截至区的电阻可以认为近似无穷大。导通电阻是 衡量v d m o s 性能的重要参数之一，它也就成为了设计v d m o s 功率器件所需解 决的核心问题，目前v d m o s 研究的重点就是降低导通电阻。想要获得最好的开 关效率对于功率器件而言，器件本身的功率损耗的减小无疑是重要的。器件的功 率输出受到通态时电阻上的功率损耗的影响，器件的导通电阻越小就越能在额定 电流下提高功率输出，也就越能降低功率损耗。除工艺参数外，主要由源胞个数、 源胞排列和几何形状及其尺寸等因数决定。 根据现有的v d m o s 的导通电阻的模型【3 0 3 2 1 ，导通电阻可以分为：阻值很小b 源区扩散电阻，在计i 训) 时，完全可以忽略不计：在低压器件中对( 础) 贡献较 大的如沟道电阻，在高压器件中的贡献较小；岛表示积累层电阻：尺，为结型场效 应管电阻，也称j f e t 电阻；r 。为外延层电阻；r + 为衬底电阻( 这部分电阻也由于 掺杂浓度较高，可忽略不计) 。对于上百伏的v d m o s 器r 件而言，主要由r ，尺， 组成。如图2 1 所示分布。 ( 1 ) 沟道电阻 增强型m o s f e t 的沟道电阻就是v d m o s 的沟道电阻，在增强型m o s f e t 结构 中，随着电压的增加，电流是线性增加的，m o s f e t 管的沟道电阻就是微分电压 与微分电流之比 黑龙江大学硕士学位论文 如= 詈= 瓦磊厕1 ( 2 - 1 ) 其中，三= 。8 5 眈一) ，c * 2 詈，式中上为v d m o s 沟道长度，为n + 源区结 a i ( s ) ；o 广入，么么么劢钐杉钐 溯彤公公 n + 由 l 图2 1v d m o s 导通电阻分布不意图 f i g 2 - 1o n r e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o no fv d m o s 深，矽扫为p 阱结深，z 西为沟道宽度，船为沟道反型区电子迁移率，屯为硅的 介电常数，巳为单位面积栅氧化层电容，为栅源电压，为开启电压，t 。为 栅氧化层厚度，o 8 5 表示杂质扩散时横向扩散深度与纵向扩散深度之间的比率。 理论上减小沟道电阻的办法是通过增加沟道内电子迁移率或增加沟道宽度实现。 但电子迁移率对于n 沟道m o s f e t 器件来说可以近似看作是常数，沟道穿通二次击 穿限制着沟道长度【3 3 】。目前减小沟道电阻的主要方法是通过增加沟道宽度即提高 元胞密度来实现。 ( 2 ) 积累层电阻 流向外延层区表面的载流子是从沟道流出的。当加上正向栅压之后，因为 栅氧不仅覆盖在沟道之上，还延伸到p 阱之间，因此一层电子积累层将会在n 一区表 面形成，这段区域通常被等效为一个满足线性区的沟道电阻公式的耗尽型 m o s f e t 结构。载流子流动方向从水平到垂直的转换在积累层电阻中完成，电子 第2 章v d m o s 功率器件的基本原理 一方面在这段n + 积累层中沿表面高电导区流动，一方面又分散向下，普通耗尽型 m o s f e t 结构的沟道电阻将大于积累层电阻，那么积累层电阻 耻瓦西告霸( 2 - 2 ) 其中l 。= 三6 一o s s w 。上式中耗尽型m o s f e t 结构的有效沟道长度为工。，平带电压 为，以为沟道积累层电子迁移率，z 为沟道宽度。由于在流动过程中积累层电 子不断从横向转向为纵囱，大部分电子只流过部分沟道，因此一般受此影响的经 验参数用取值在1 3 多j l 2 之间的七来代表。可以通过增加栅压提高积累层的电导率， 这样就可以效降低积累层电阻，以此来抑制载流子在沟道末端的拥挤。 ( 3 ) 颈区j f e t 电阻 沿积累层下方的n - - 区导通路径展开的从耗尽型m o s f e t 流出的电流，形成一 个变截面的导体区域。考虑到外延层掺杂浓度在计算变截面导体的边界时一般较 低，在外加电压加上由自建电势形成的反偏电势的作用下，不可以忽略外延层矿 区与p 体区的形成的反向聊r 结耗尽层厚度。p 区一侧浓度远大于外延层一侧掺杂浓 度，可以近似为单边突变结，那么近似地耗尽层宽度 = 尸严 ( 2 3 ) 上式c p 阱区与n - 型外延层n p 一结之间的内建电势为，外加电压用表示，均 匀掺杂外延层的杂质浓度为n 。，电子电量为窖。