【摘 要】
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第三代半导体材料碳化硅（Silicon Carbide,简称Si C）凭借其本身优越的特性,在功率器件的应用研究中逐渐成为研究热点,其主要特性具体表现为宽禁带、高热导率、高临界电场、高功率密度等等。而垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管（Vertical Double-Diffusion Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,VDMO
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第三代半导体材料碳化硅（Silicon Carbide,简称Si C）凭借其本身优越的特性,在功率器件的应用研究中逐渐成为研究热点,其主要特性具体表现为宽禁带、高热导率、高临界电场、高功率密度等等。而垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管（Vertical Double-Diffusion Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,VDMOSFET,简称VDMOS）由于其独特结构使其能够通过元胞并联来获取大电流,同时减小器件的导通电阻,以此提高芯片的面积利用率以及器件的输出功率。在Si C VDMOS器件中同样希望有大的击穿电压与较小的导通电阻,但这二者总是矛盾出现;同时由于碳化硅材料禁带宽度大,导致体二极管开启电压较高,使用其续流会造成较大能量损耗,因此常规器件需要使用额外的续流二极管以提高器件的性能表现,但会提高系统的复杂度。基于上述问题,本文在常规沟槽栅的Si C VDMOS器件（简称C-TMOS）研究基础上进一步分析引入异质结,提出了一种具有异质结的VDMOS器件（简称HJD-TMOS）,并根据辅助耗尽原理在HJD-TMOS器件的基础上又提出了一种具有漂移区埋P层的异质结器件结构（简称BP-TMOS）。另外,将二维的HJD-TMOS器件与C-TMOS器件进行了三维化以此研究异质结在器件中的大小对器件性能的影响。本文的主要研究结果如下:HJD-TMOS器件将常规器件单边的源区变为一个由P型多晶硅与N型碳化硅组成的异质结二极管,同时将P+屏蔽保护层扩展至异质结与栅极之间。由于异质结接触面会存在能带差,因此会影响器件载流子的输运,器件能够有更好的性能表现。更宽的屏蔽层能够获得更高的击穿电压,同时优化栅氧拐角处的电场以及减小器件栅极与其它区域的接触面积,进而减小器件的栅电荷。通过优化主要的器件结构参数后,当HJD-TMOS与C-TMOS器件有相当水平的导通电阻时,HJD-TMOS器件的体二极管开启电压降至1.42V,击穿电压提升23%,栅漏电荷降低56%,开关损耗降低50.4%。在三维方向嵌入异质结,首先仿真了理想情况下异质结占据整个Z方向时的情况,该器件与C-TMOS器件有相当水平的导通电阻时,击穿电压提升23.4%,栅漏电荷降低45%,开关损耗降低48.6%。然后通过改变异质结的尺寸仿真器件的阻断性能与导通性能,最终在选取的异质结尺寸下,器件击穿电压提升12%,导通电阻降低14%。BP-TMOS器件通过在HJD-TMOS器件中的漂移区加入P型埋层辅助漂移区耗尽,有效改善了器件击穿电压与导通电阻的矛盾关系,同时保持了异质结的特性。P型埋层对漂移区的耗尽作用能提升漂移区的掺杂浓度,降低了漂移区的导通电阻,同时P型埋层与漂移区形成的PN结内建电场能有效改善器件电场分布,提升器件耐压。通过优化P埋层的参数与漂移区浓度后,相较于C-TMOS器件,BP-TMOS器件击穿电压提升53.7%,导通电阻降低20.4%,栅漏电荷降低69.7%,开关损耗降低55%。
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