4H-SiC功率超结MOSFET结构设计与模拟研究

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功率半导体领域高速发展和迭代,对其核心的功率半导体器件提出了更高性能、更高稳定性的要求。作为功率半导体器件的一员,碳化硅功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)器件在高温、高频、高压以及抗辐射上的优异性能,具有广阔的应用前景,受到广大业内人士的青睐。作为前沿的功率器件之一,Si C超结MOSFET功率器件亟需相应的研究。对于功率器件来说,击穿电压BV以及导通电阻RON之间的关系是研究的最优先级,通常需要器件在保证较高的击穿电压级别的同时尽可能地降低导通电阻RON,对于硅基功率MOSFET来说,两者之间存在一个经验拟合的曲线,RON正相关于BV的2.5次方,称为“硅限”,不同的材料有不同的硅极限,对于Si C也有类似的限制。超结的出现打破了这一格局。目前关于超结的电荷平衡问题得以重视。单粒子烧毁SEB(single event burnout)是一种空间辐射导致的特定恶劣条件下发生的给予器件毁灭性打击的辐射效应,随着我国空间技术的发展,在半导体器件抗单粒子效应方面提出新的要求,鉴于此,本文研究了电荷非平衡对于碳化硅功率超结MOSFET的电学性能以及抗单粒子辐照性能的影响。研究了一种变掺杂超结碳化硅功率MOSFET(SJ-MOD-MOSFET)结构,该结构特点是利用超结柱的掺杂浓度梯度制造电荷非平衡,研究发现电荷的非平衡不仅对器件的基础电学特性如击穿电压导通电阻等有着明显的提升,也对器件的抗单粒子烧毁性能有着一定的效果,本文详细的分析了变掺杂超结MOSFET结构的工作原理,以及抗SEB效应机理,为功率器件的抗辐照加固提供一种有效地解决思路。并设计了可行的变掺杂超结MOSFET制造工艺流程。其次,本文提出了一种阶梯型P/N超结柱的结构Step-SJ MOSFET,该结构可以有效取得导通电阻与击穿电压的折衷,对新结构中P/N柱的结构参数进行了讨论分析,并得出优化后的最终参数,仿真分析了提出的结构的抗SEB烧毁能力。并在在结尾根据该结构特点给出了目前可行的加工工艺流程。最后,分析和总结了这类电荷非平衡超结MOSFET器件的优缺点,对于超结MOS器件的设计与改进提供了可行的方案。
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