基于TCAD技术的碳化硅槽栅MOSFET器件设计_刘彦娟.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 11 期 2023 年 11 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.11 Nov.2023 收稿日期:2022-11-19 基金项目:辽宁省科技厅资助项目（2021-BS-192）；辽宁省教育厅资助项目（LJKZ0174）；辽宁省教改资助项目（辽教办2021254 号）作者简介:刘彦娟（1991）女，黑龙江巴彦，博士，讲师，主要研究方向为功率半导体器件的设计与性能优化，。通信作者:贾德振（1998），男，山东安丘，硕士研究生，主要研究方向半导体器件设计、FPGA 系统设计与深度学习，jiadezhen 。引文格式:刘彦娟，韩迪，贾德振.基于 TCAD 技术的碳化硅槽栅 MOSFET 器件设计J.实验技术与管理,2023,40(11):142-147.Cite this article:LIU Y J,HAN D,JIA D Z.Design of silicon carbide trench gate MOSFET devices with TCAD technologyJ.Experimental Technology and Management,2023,40(11):142-147.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.11.021 基于 TCAD 技术的碳化硅槽栅 MOSFET 器件设计 刘彦娟，韩 迪，贾德振（沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136）摘 要：针对碳化硅槽栅 MOSFET 器件内部寄生二极管的反向恢复特性差的问题，设计了碳化硅槽栅 MOSFET器件新结构，通过在碳化硅槽栅 MOSFET 器件元胞内部集成多晶硅/碳化硅异质结二极管，在不使器件的其他电学特性退化的基础上，改善器件的反向恢复特性。基于 TCAD 工具ATLAS 二维的半导体工艺与器件仿真软件，对碳化硅槽栅 MOSFET 器件的 I-V 特性、击穿特性以及反向恢复特性进行了研究。研究结果表明，与常规的碳化硅槽栅 MOSFET 器件相比，新结构的反向恢复特性明显改善，反向恢复时间减小了 48.8%，反向恢复电荷减小了 94.1%，反向峰值电流减小了 82.4%。关键词：碳化硅器件；槽栅 MOSFET 器件；反向恢复特性；多晶硅/碳化硅异质结；半导体功率器件 中图分类号：TN386.1 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)11-0142-06 Design of silicon carbide trench gate MOSFET devices with TCAD technology LIU Yanjuan,HAN Di,JIA Dezhen(College of Electronical and Information Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)Abstract:To address the problem of poor reverse recovery characteristics of internal parasitic diodes in silicon carbide trench gate MOSFET devices,a new structure of silicon carbide trench gate MOSFET device,which integrates polysilicon/silicon carbide hetero-junction diodes,is designed to improve the reverse recovery characteristics of the devices,without degrading the other electrical characteristics.The electrical performances of devices,including I-V characteristics,breakdown characteristics,and reverse recovery characteristics,are investigated based on the TCAD tool:ATLAS two-dimensional semiconductor process and device simulation software.The study results show that compared with conventional silicon carbide trench gate MOSFET devices,the reverse recovery characteristics of the new structure are significantly improved,such as a 48.8%reduction in reverse recovery time,94.1%reduction in reverse recovery charge,and 82.4%reduction in reverse peak current.Key words:silicon carbide devices;trench gate MOSFET device;reverse recovery characteristics;polysilicon/silicon carbide heterojunctions;semiconductor power devices 相比硅材料，碳化硅材料具有优异的物理特性，例如高的临界击穿电场、宽的禁带宽度、高的熔点、大的热导率以及大的电子饱和漂移速度，已成为替代硅基半导体材料最有潜力的候选者1。与相同耐压的硅基器件相比，碳化硅MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)器件具有导通电阻小、体积小、功耗低、抗辐射能力强等优势，自 1994 年碳化硅MOSFET 器件被首次报道以来2，就获得了国内外半导体领域的企业以及专家的广泛关注，基于碳化硅材料的功率半导体器件的研发成为业内的研究重点与热点3-6。刘彦娟，等：基于 TCAD 技术的碳化硅槽栅 MOSFET 器件设计 143 应用于全桥电源等变换器系统中的碳化硅槽栅MOSFET 器件，通常与一个二极管反向并联，以实现续流功能，这种方式不仅会导致寄生电感和电容增加，而且会增加系统的封装成本7。MOSFET 器件内部存在一个固有的寄生二极管，可以作为续流元件，以解决上述问题。但研究结果表明，MOSFET 器件内部寄生的体二极管反向恢复特性较差，不仅会增加系统的功耗，还会产生较大的浪涌电流和电压，器件有烧毁的风险8-10。为此，研究者将研究重点集中在如何改善 MOSFET 器件寄生二极管的反向恢复特性上，并取得了一定成效。比较典型的改善方法是将性能优异的二极管集成到 MOSFET 内部，主要是将肖特基二极管与结势垒二极管集成到 MOSFET 内部11-14，在不使器件其他电学特性退化的基础上，改善器件的反向恢复特性。针对上述问题，本文提出了一种碳化硅槽栅MOSFET 器件新结构，该结构内部集成了由 P 多晶硅与 n 碳化硅构成的异质结二极管。该结构改善了寄生体二极管的反向恢复特性，有助于减小系统功耗。为验证该结构的优异性能，借助工艺软件 ATLAS，对耐压为 1 200 V 的常规与新结构碳化硅槽栅 MOSFET 器件进行结构建模、电学特性仿真分析，并进行对比研究。1 结构设计与工作原理分析 如图 1(a)所示为常规碳化硅槽栅 MOSFET 器件（后面简写为 C-UMOS，conventional UMOSFET）结构示意图，在 C-UMOS 器件内部，其寄生体二极管是由 p-体区与 n-漂移区构成的 PN 结二极管，为双极型器件。图 1(b)为集成异质结二极管的碳化硅槽栅MOSFET 器件（后面简写为 HJD-UMOS，hetero-junction diode UMOSFET）结构示意图。与 C-UMOS器件相比，除了 HJD-UMOS 器件内部集成一个异质结二极管（如图 1(b)红色虚线框所示），两个器件结构参数基本一致，如表 1 所示。图 1 器件结构剖面示意图 表 1 C-UMOS 与与 HJD-UMOS 器件结构参数 符号 参数 数值 WC 元胞宽度/m 7 WGT 槽栅宽度(图 1(a)/m 3 WG 槽栅宽度(图 1(b)/m 1 DGT 槽栅深度/m 1.7 TP P+屏蔽层的厚度/m 0.3 Np p-体区的掺杂浓度/(cm3)11017 tox 栅氧化层厚度/nm 50 Nn n-漂移区掺杂浓度/(cm3)61015 C-UMOS 器件的 PN 结二极管其正向导通时，n-漂移区内部会存储大量的自由电子和空穴，而在其关断过程中，这些存储的载流子必须被全部抽取，这个过程会产生较大的反向恢复电流。而在 HJD-UMOS器件内部，其寄生二极管由两种不同类型的二极管并联而成，一是与 C-UMOS 相同的体二极管，二是由 P多晶硅区与 n-漂移区构成的异质结二极管。异质结二极管为单极型器件且具有更小的正向开启电压，当MOSFET 器件工作于反向续流状态时，即器件内部寄生二极管正向导通时，异质结二极管优先导通，其 n-漂移区内部仅存储一种载流子自由电子，这可以加快关断过程中载流子的抽取速度，减小反向恢复时间，同时减小反向恢复电流，改善器件的反向恢复特性。2 仿真环境设置 本文基于半导体器件与工艺软件 ATLAS 对C-UMOS 和 HJD-UMOS 两种器件结构进行研究与分144 实 验 技 术 与 管 理 析。首先，根据所设计的器件结构参数，对器件进行结构建模。由于器件网格划分疏密会影响仿真分析计算的收敛性，因此首先进行仿真网格划分。按照沟道反型区、半导体-氧化物界面、PN 结界面、半导体-金属界面的网格较密，其他区域网格较疏的原则划分网格，半个元胞的网格划分如图 2 所示。然后，设置仿真参数，文献15将碳化硅功率器件的仿真结果与实验结果进行了校正，仿真结果与实验结果吻合程度较高，因此本文的仿真参数设置与文献15的相同。除此之外，仿真过程中还使用了如下模型：禁带宽度变窄（BGN）模型、俄歇复合（AUGER）模型、肖克利（SRH）模型、与掺杂浓度及温度相关的迁移率（ANALYTIC）模型、费米-狄拉克统计（FD）模型、Selberherr 碰撞电离模型。图 2 仿真网格分布 3 新结构特性研究与分析 3.1 输入输出特性 图 3 给出了 C-UMOS 与 HJD-UMOS 器件的输入输出特性曲线仿真结果。从图中可以看出器件的阈值电压 Vth在 45 V。而当栅压 Vgs较低时，C-UMOS 与HJD-UMOS 的输出特性曲线相差较大，且 HJD-UMOS的漏源电流密度 Jds更大。这主要源于在 HJD-UMOS器件中 P+屏蔽层宽度较窄，在器件正向导通时，产生的耗尽层更窄，即电流的流通路径更宽，导致电流更大。图 3 输入输出特性曲线对比 图 3 中内插图为在 Vgs=7 V 时，漏电压 Vds较小时的输出电流与电压曲线，表明当器件的导通电流密度较小时，两输出曲线基本重合。当 Jds=100 Acm2时，两器件的比导通电阻约为 5.21 mcm2。3.2 击穿特性 器件的击穿电压是由 n-漂移区的掺杂浓度与厚度决定的，由于 C-UMOS 与 HJD-UMOS 器件 n-漂移区的掺杂浓度与厚度一致，故理论上，两者具有相同的耐压能力。当 Vds=1 200 V、Vgs=0 V 时，仿真器件的击穿特性，得到的二维电场分布如图 4 所示。从图中可以看出，C-UMOS 与 HJD-UMOS 器件的击穿位置均位于 P+屏蔽层与 n-漂移区构成的 PN 结处，且击穿时的最大电场强度为 2.9 MV/cm，接近碳化硅材料的临界击穿电场，认为此时器件处于击穿状态，故C-UMOS 与 HJD-UMOS 的击穿电压均为 1 200 V，与理论分析相一致。此外，器件击穿过程中，栅氧化层二氧化硅中的电场强度也是重点关注对象。二氧化硅的临界击穿电场为 10 MV/cm，而在功率器件中，为了保持器件长期工作的可靠性，栅氧化层中的电场强度在 3 MV/cm 附近。在击穿时，C-UMOS 器件栅氧化层二氧化硅的电场强度约为 3.1 MV/cm，而HJD-UMOS 中二氧化硅的电场强度约为 1.8 MV/cm，这源于 P+屏蔽层的保护作用。图 4 器件击穿时二维电场分布 刘彦娟，等：基于 TCAD 技术的碳化硅槽栅 MOSFET 器件设计 145 3.3 二极管导通特性 HJD-UMOS 器件的特点是内部集成一个 P 多晶硅/n-漂移区异质结二极管，且与 p-体区/n-漂移区二极管并联。当其工作在反向续流状态时，内部的异质结二极管具有以下两方面的作用：与 p-体区/n-漂移区二极管相比，它具有更低的开启电压，能有效抑制 p-体区/n-漂移区二极管的导通；由于其为单极型器件，导通时只有电子这一种载流子参与导电，能够有效降低 n-漂移区内空穴载流子的数量。从两个器件的结构图可知，源极与 p-体区相连、漏极与 n-漂移区相连，故源极、漏极分别为二极管的阳极与阴极、源漏电流 Jsd为二极管正向导通的电流。通过将源极（阳极）接地、栅极接地、漏极（阴极）加逐渐增大的负压来仿真二极管的正向导通特性，得到二极管导通 Jds与正向偏压 Vds的关系曲线，如图 5 所示。此图表明 C-UMOS 内部寄生体二极管的开启电压约为 2.0 V，而 HJD-UMOS 内部的异质结二极管的开启电压约为 0.79 V。当与 PN 图 5 二极管导通特性 结体二极管并联时，异质结二极管优先导通，能够有效抑制体二极管的导通。当流过二极管的 Jds=100 Acm2时，C-UMOS 与HJD-UMOS 器件内部二极管的导通电压大小分别为2.43 与 1.53 V，二极管的导通电压降降低，其电学性能越好，表明 HJD-UMOS 器件内部二极管性能更优。这是因为 HJD-UMOS 器件的二极管是由异质结二极管与 PN 结二极管并联而成，异质结二极管的开启电压更低且为单极型器件。图 6 给出了在二极管正向导通电流密度为100 Acm2时，器件内部的自由电子和空穴的二维浓度分布图。从图 6(a)与 6(b)中 p-体区及 P多晶硅中自由电子浓度分布可知，此时 C-UMOS 器件中的寄生 PN 结体二极管导通，而 HJD-UMOS 器件中只有异质结二极管导通。从图 6(c)与 6(d)中 n-漂移区中空穴浓度分布可知，C-UMOS 器件 n-漂移区中存在大量空穴载流子，而 HJD-UMOS 器件由于异质结二极管的单极特性，其 n-漂移区内的空穴载流子数目极少，即在反向恢复过程中，抽取的载流子数目极大减少，能够有效改善反向恢复特性（将在节 3.4 详细讨论）。此外，图 7 所示的 n-漂移区内部载流子浓度对比图也有效地证明了这一点（其中载线 A-A 是指从图 6 中P+屏蔽区与 n-漂移区结至 n-漂移区与 n+衬底结）。3.4 反向恢复特性 MOSFET 器件应用于电源变换器等特定电子系统中，常需要反向并联一个二极管器件，起到反向续流的作用，但这会增加系统的成本。由于 MOSFET 器件结构内部存在一个寄生的二极管结构，且经过研究，图 6 Jds=100Acm2时的载流子浓度二维分布 146 实 验 技 术 与 管 理 图 7 Jds=100 Acm2时漂移区载流子浓度 此寄生二极管可以用来替代外部的二极管，减少系统额外的寄生效应和成本。当一个功率 MOSFET 器件工作于续流二极管状态时，其内部寄生的二极管的反向恢复特性非常重要，并且影响系统的性能。因此，MOSFET 器件内部寄生二极管的反向恢复性能越好，整个系统的性能越优异。在相同的正向导通电流的条件下，二极管反向恢复特性的测试电路如图 8 所示，图中红色线框内为功率 MOSFET 器件的等效电路。通过在较短时间内将电阻值从 20 变到接近 0，来改变源极电压，从而使二极管从导通状态变为关断状态，仿真其反向恢复特性。图 8 二极管反向恢复特性 从反向恢复特性曲线可知，C-UMOS 与 HJD-UMOS 器件的反向恢复电流密度峰值分别为 162.0 与28.6 Acm2。与 C-UMOS 相比，HJD-UMOS 器件的反向恢复峰值电流密度 JMF约减小了 82.4%。将漏电流密度对时间积分，可得 C-UMOS 与 HJD-UMOS 器件的反向恢复电荷 Qrr分别为 6.28、0.54 Ccm2，HJD-UMOS 器件约减小了 91.4%，进而导致反向恢复过程消耗的能量 Err更小。反向恢复时间 trr定义为器件开始关断到电流减小为峰值电流的 25%时的时间，则 C-UMOS器件的反向恢复时间为从电流为 0 到电流为 40.5 Acm2（162.0 Acm2的 25%）的时间，即trr=57.9 ns，而 HID-UMOS 器件的反向恢复时间为从电流为 0 到电流为 7.15 A/cm2（28.6 Acm2的 25%），即 trr=29.6 ns。HJD-UMOS 器件的反向恢复时间比C-UMOS 器件减少了 48.8%，即 HJD-UMOS 器件内部二极管的关断速度更快。HJD-UMOS 器件内部二极管优 异 的 性 能 源 于 异 质 结 二 极 管 更 优 异 的 特 性。C-UMOS 与 HJD-UMOS 器件的反向恢复特性对比如表 2 所示。表 2 C-UMOS 与 HJD-UMOS 反向恢复特性对比 特性 C-UMOS HJD-UMOS 改善百分比JMF/(Acm2)162.0 28.6 82.4%Qrr/(Ccm2)6.28 0.54 94.1%trr/ns 57.9 29.6 48.8%4 结语 本文从实际电源变换器的工程应用需求入手，针对碳化硅槽栅 MOSFET 器件内部二极管的反向恢复特性差的问题，从设计器件新结构角度入手，实现对器件反向恢复特性的优化。基于半导体工艺与器件仿真软件，对器件的电学特性进行分析，从微观的载流子浓度分布、电场强度分布等角度分析器件性能，有助于加深学生对理论知识的理解。通过将本学术成果引入实践课堂中，例如在讲解常规槽栅功率 MOSFET器件特性仿真实验过程中，在对反向恢复特性相关知识进行讲解时，结合仿真结果引导学生发现问题“为什么反向恢复性能较差”，接着逐步引导学生找到产生此问题的根源“寄生二极管的双极注入效应在导通状态产生大量的载流子”，然后引导学生提出改善思想“如果在器件内部集成单极型二极管，是否会改善反向恢复性能？”，最后给出本文提出的新结构，学生进行仿真验证。通过此教学过程，有助于培养学生的知识融合能力，提高学生的开拓思维；有助于学生掌握半导体核心器件的优化设计方法、提高其器件性能分析与设计能力，培养学生的创新实践素养，以及在微电子技术领域的竞争力，为我国集成电路的发展输送复合型创新人才。参考文献(References)1 张波，邓小川，张有润，等.宽禁带半导体 SiC 功率器件发展现状及展望J.中国电子科学研究院学报，2009,4(2):111118.ZHANG B,DANG X C,ZHANG Y R,et al.Development status and outlook of wide-band semiconductor SiC power devicesJ.Journal of China Academy of Electronic Science,2009,4(2):111118.(in Chinese)2 PALMOUR J W,EDMOND J A,KONG H,et al.Vertical power 刘彦娟，等：基于 TCAD 技术的碳化硅槽栅 MOSFET 器件设计 147 devices in silicon carbideC/Processing of Silicon Carbide and Related Materials.Washington DC,US,1993:499502.3 高明阳，顾钊源，杨明超，等.一种 1200V 碳化硅沟槽MOSFET 的新结构设计J.微电子学与计算机，2022,39(7):94100.GAO M Y,GU Z Y,YANG M C,et al.A new structure design of 1200V silicon carbide trench MOSFETJ.Microelectronics and Computers,2022,39(7):94100.(in Chinese)4 WANG Y,TIAN 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