使用Nuwa TCAD软件仿真超结VDMOS器件
GMPT, 2024/05/27
摘要: 垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(Vertical Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, VDMOS),是一种单极型功率开关器件,具有开关速度快、静态输入阻抗高的优点,被广泛应用于电机调速、雷达、开关电源、汽车电子、逆变器、移动通信等领域。超结VDMOS在传统 VDMOS结构的基础上引入了超结结构,代替了原漂移区的轻掺杂结构,使得器件处于反偏状态时,在横向电场的作用下N型半导体与P型半导体的电荷相互补偿耗尽,超结区域形成横向耐压层,从而提升器件的反向击穿电压。
本文将基于Nuwa TCAD软件对超结VDMOS器件进行仿真,并展示软件仿真结果。
一、器件结构
图1. 超结VDMOS器件结构示意图
在此项工作中,超结VDMOS器件结构如图1所示。其中,P柱高度设置为36μ \muμ m,元胞宽度设置为12μ \muμ m,柱区掺杂浓度设置为2 × 1 0 15 c m − 3 2\times 10^{15} {cm}^{-3}2 × 1 0 15 c m − 3 ,Pbase区掺杂浓度设置为5 × 1 0 16 c m − 3 5\times 10^{16} {cm}^{-3}5 × 1 0 16 c m − 3 ,漏极区掺杂浓度设置为5 × 1 0 19 c m − 3 5\times 10^{19} {cm}^{-3}5 × 1 0 19 c m − 3 ,源区掺杂浓度设置为1 × 1 0 18 c m − 3 1\times 10^{18} {cm}^{-3}1 × 1 0 18 c m − 3 ,栅氧厚度设置为0.1μ \muμ m。(本文部分仿真数据来源于参考文献[1])
二、物理模型设置
2.1 连续性方程
∇ ⋅ J n − ∑ j R n t j − R s p − R s t − R a u + G o p t ( t ) = ∂ n ∂ t + N D ∂ f D ∂ t \begin{align}
\nabla \cdot J_n-\sum_j R_n^{t j}-R_{s p}-R_{s t}-R_{a u}+G_{o p t}(t)=\frac{\partial n}{\partial t}+N_D \frac{\partial f_D}{\partial t}
\end{align}∇ ⋅ J n − j ∑ R n t j − R s p − R s t − R a u + G o pt ( t ) = ∂ t ∂ n + N D ∂ t ∂ f D
∇ ⋅ J p + ∑ j R p t j + R s p + R s t + R a u − G o p t ( t ) = − ∂ p ∂ t + N A ∂ f A ∂ t \begin{align}
\nabla \cdot J_p+\sum_j R_p^{t j}+R_{s p}+R_{s t}+R_{a u}-G_{o p t}(t)=-\frac{\partial p}{\partial t}+N_A \frac{\partial f_A}{\partial t}
\end{align}∇ ⋅ J p + j ∑ R p t j + R s p + R s t + R a u − G o pt ( t ) = − ∂ t ∂ p + N A ∂ t ∂ f A
2.2 泊松方程
− ∇ ⋅ ( ϵ 0 ϵ d c q ∇ V ) = − n + p + N D ( 1 − f D ) − N A f A + ∑ j N t j ( δ j − f t j ) -\nabla \cdot\left(\frac{\epsilon_0 \epsilon_{d c}}{q} \nabla V\right)=-n+p+N_D\left(1-f_D\right)-N_A f_A+\sum_j N_{t j}\left(\delta_j-f_{t j}\right)− ∇ ⋅ ( q ϵ 0 ϵ d c ∇ V ) = − n + p + N D ( 1 − f D ) − N A f A + j ∑ N t j ( δ j − f t j )
2.3 低场和高场迁移率模型
低场迁移率模型(Masetti Model)
μ 0 = μ min 1 e − P c N i + μ max ( T L T 0 ) − ζ − μ min 2 1 + ( N i C r ) α − μ 1 1 + ( C s N i ) β \mu_{0}=\mu_{\min 1} e^{-\frac{P_{c}}{N_{i}}}+\frac{\mu_{\max }\left(\frac{T_L}{T_{0}}\right)^{-\zeta}-\mu_{\min 2}}{1+\left(\frac{N_{i}}{C_{r}}\right)^{\alpha}}-\frac{\mu_{1}}{1+\left(\frac{C_{s}}{N_{i}}\right)^{\beta}}μ 0 = μ m i n 1 e − N i P c + 1 + ( C r N i ) α μ m a x ( T 0 T L ) − ζ − μ m i n 2 − 1 + ( N i C s ) β μ 1
高场迁移率模型(Canali Model)
μ n = μ 0 n ( 1 + ( μ 0 n F / v s n ) β n ) 1 / β n \begin{align} \mu_n & =\frac{\mu_{0 n}}{\left(1+\left(\mu_{0 n} F / v_{s n}\right)^{\beta_n}\right)^{1 / \beta_n}}\end{align}μ n = ( 1 + ( μ 0 n F / v s n ) β n ) 1/ β n μ 0 n
μ p = μ 0 p ( 1 + ( μ 0 p F / v s p ) β p ) 1 / β p \begin{align} \mu_p & =\frac{\mu_{0 p}}{\left(1+\left(\mu_{0 p} F / v_{s p}\right)^{\beta_p}\right)^{1 / \beta_p}}\end{align}μ p = ( 1 + ( μ 0 p F / v s p ) β p ) 1/ β p μ 0 p
2.4 界面缺陷模型
Exponential tail Model
DOS ( E ) = N t r a p E t a i l e [ − ( E − E 0 ) E t a i l ] \operatorname{DOS}(E)=\frac{N_{ {trap }}}{E_{ {tail }}} e^{\left[-\frac{\left(E-E_0\right)}{E_{{tail }}}\right]}DOS ( E ) = E t ai l N t r a p e [ − E t ai l ( E − E 0 ) ]
Gaussian Model
DOS ( E ) = N t r a p 2 π σ e [ − ( E − E 0 ) 2 2 σ 2 ] \operatorname{DOS}(E)=\frac{N_{ {trap }}}{\sqrt{2 \pi} \sigma} e^{\left[-\frac{\left(E-E_0\right)^2}{2 \sigma^2}\right]}DOS ( E ) = 2 π σ N t r a p e [ − 2 σ 2 ( E − E 0 ) 2 ]
2.5 体缺陷模型
Shockley-Read-Hall Model
R n t j = c n j n N t j ( 1 − f t j ) − c n j n 1 j N t j f t j \begin{aligned}R_n^{t j}=c_{n j} n N_{t j}\left(1-f_{t j}\right)-c_{n j} n_{1 j} N_{t j} f_{t j}\end{aligned}R n t j = c nj n N t j ( 1 − f t j ) − c nj n 1 j N t j f t j R p t j = c p j p N t j f t j − c p j p 1 j N t j ( 1 − f t j ) \begin{aligned}R_p^{t j}=c_{p j} p N_{t j} f_{t j}-c_{p j} p_{1 j} N_{t j}\left(1-f_{t j}\right)\end{aligned}R p t j = c p j p N t j f t j − c p j p 1 j N t j ( 1 − f t j ) N t j ∂ f t j ∂ t = R n t j − R p t j \begin{aligned}N_{t j} \frac{\partial f_{t j}}{\partial t}=R_n^{t j}-R_p^{t j}\end{aligned}N t j ∂ t ∂ f t j = R n t j − R p t j c n j = σ n j v n = σ n j 8 k T π m n \begin{aligned}
c_{n j}=\sigma_{n j} v_n=\sigma_{n j} \sqrt{\frac{8 k T}{\pi m_n}}
\end{aligned}c nj = σ nj v n = σ nj π m n 8 k T c p j = σ p j v p = σ p j 8 k T π m p \begin{aligned}
c_{p j}=\sigma_{p j} v_p=\sigma_{p j} \sqrt{\frac{8 k T}{\pi m_p}}
\end{aligned}c p j = σ p j v p = σ p j π m p 8 k T 1 τ n j = c n j N t j ; 1 τ n j = c n j N t j \begin{aligned}\frac{1}{\tau_{n j}}=c_{n j} N_{t j}; \quad \frac{1}{\tau_{n j}}=c_{n j} N_{t j}\end{aligned}τ nj 1 = c nj N t j ; τ nj 1 = c nj N t j
Gaussian Model
DOS ( E ) = N t r a p 2 π σ e [ − ( E − E 0 ) 2 2 σ 2 ] \operatorname{DOS}(E)=\frac{N_{ {trap }}}{\sqrt{2 \pi} \sigma} e^{\left[-\frac{\left(E-E_0\right)^2}{2 \sigma^2}\right]}DOS ( E ) = 2 π σ N t r a p e [ − 2 σ 2 ( E − E 0 ) 2 ]
2.6 碰撞电离模型
Okuto Model
α ( F ava ) = a ⋅ ( 1 + c ( T − T 0 ) ) F ava γ exp [ − ( b [ 1 + d ( T − T 0 ) ] F ava ) δ ] \begin{aligned}\alpha\left(F_{\text {ava }}\right)=a \cdot\left(1+c\left(T-T_{0}\right)\right) F_{\text {ava }}^{\gamma} \exp \left[-\left(\frac{b\left[1+d\left(T-T_{0}\right)\right]}{F_{\text {ava }}}\right)^{\delta}\right]\end{aligned}α ( F ava ) = a ⋅ ( 1 + c ( T − T 0 ) ) F ava γ exp [ − ( F ava b [ 1 + d ( T − T 0 ) ] ) δ ]
三、结果与讨论
3.1 反向加压电势分布
图2. 超结VDMOS器件在 (a)平衡态 (b)反向加压300V (c)反向加压600V (d)反向击穿 时的电势分布
上图展示了超结VDMOS器件从平衡态开始加反向电压直到反向击穿的电势分布情况。
3.2 反向击穿特性
图3. 超结VDMOS器件的反向击穿曲线
如图可知,反向击穿之前漏电流约为$5\times 10^{-6}A/m$,在击穿电压附近漏电流急剧增大,发生雪崩击穿,反向击穿电压约为790V。
3.3 阈值电压
图4. 超结VDMOS器件的阈值电压
如图可知,超结VDMOS器件的阈值电压约为2.8V。
3.4 转移特性
图5. 超结VDMOS器件在不同栅压下的转移特性
图5展示了超结VDMOS器件在栅压分别为2.5V,3V, 3.5V和4V下的转移特性。已知器件的阈值电压为2.8V,所以栅压为2.5V时器件沟道未打开,器件此时没有正向输出。当栅压大于阈值电压后,器件沟道打开并开始正向输出,随着栅压增大器件的输出也随之增强,漏电流也在漏极电压增大之后趋于饱和。
四、总结
本文对超结VDMOS器件进行了仿真,介绍了仿真中引用的物理模型,并展示了器件的仿真结果,包括反向加压电势分布、反向击穿特性、阈值电压和不同栅压下的转移特性。
参考文献
[1] 李吕强,超结器件工艺窗口改善与可靠性提升,电子科技大学硕士学位论文