专题:微电子器件
分析半导体微电子器件内部物理机理,优化工艺和器件设计,提高半导体微电子器件的特性、产品研发效率和良率
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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\mum,元胞宽度设置为12μ\mum,柱区掺杂浓度设置为2×1015cm32\times 10^{15} {cm}^{-3},Pbase区掺杂浓度设置为5×1016cm35\times 10^{16} {cm}^{-3},漏极区掺杂浓度设置为5×1019cm35\times 10^{19} {cm}^{-3},源区掺杂浓度设置为1×1018cm31\times 10^{18} {cm}^{-3},栅氧厚度设置为0.1μ\mum。(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

JnjRntjRspRstRau+Gopt(t)=nt+NDfDt\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} Jp+jRptj+Rsp+Rst+RauGopt(t)=pt+NAfAt\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}

2.2 泊松方程

(ϵ0ϵdcqV)=n+p+ND(1fD)NAfA+jNtj(δjftj)-\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)

2.3 低场和高场迁移率模型

低场迁移率模型(Masetti Model) μ0=μmin1ePcNi+μmax(TLT0)ζμmin21+(NiCr)αμ11+(CsNi)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}}

高场迁移率模型(Canali Model) μn=μ0n(1+(μ0nF/vsn)βn)1/βn\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} μp=μ0p(1+(μ0pF/vsp)βp)1/βp\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}

2.4 界面缺陷模型 Exponential tail Model DOS(E)=NtrapEtaile[(EE0)Etail]\operatorname{DOS}(E)=\frac{N_{ {trap }}}{E_{ {tail }}} e^{\left[-\frac{\left(E-E_0\right)}{E_{{tail }}}\right]}

Gaussian Model DOS(E)=Ntrap2πσe[(EE0)22σ2]\operatorname{DOS}(E)=\frac{N_{ {trap }}}{\sqrt{2 \pi} \sigma} e^{\left[-\frac{\left(E-E_0\right)^2}{2 \sigma^2}\right]}

2.5 体缺陷模型 Shockley-Read-Hall Model Rntj=cnjnNtj(1ftj)cnjn1jNtjftj\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}Rptj=cpjpNtjftjcpjp1jNtj(1ftj)\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}Ntjftjt=RntjRptj\begin{aligned}N_{t j} \frac{\partial f_{t j}}{\partial t}=R_n^{t j}-R_p^{t j}\end{aligned}cnj=σnjvn=σnj8kTπmn\begin{aligned} c_{n j}=\sigma_{n j} v_n=\sigma_{n j} \sqrt{\frac{8 k T}{\pi m_n}} \end{aligned}cpj=σpjvp=σpj8kTπmp\begin{aligned} c_{p j}=\sigma_{p j} v_p=\sigma_{p j} \sqrt{\frac{8 k T}{\pi m_p}} \end{aligned}1τnj=cnjNtj;1τnj=cnjNtj\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}

Gaussian Model DOS(E)=Ntrap2πσe[(EE0)22σ2]\operatorname{DOS}(E)=\frac{N_{ {trap }}}{\sqrt{2 \pi} \sigma} e^{\left[-\frac{\left(E-E_0\right)^2}{2 \sigma^2}\right]}

2.6 碰撞电离模型 Okuto Model α(Fava )=a(1+c(TT0))Fava γexp[(b[1+d(TT0)]Fava )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}

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