超结结构在高压功率器件中的优越性及设计研究

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在电力电子系统中,功率器件一直扮演着极其重要的角色,既要有较高的击穿电压,又要有较低的通态压降,而以应用最为广泛的MOSFET为例,两者是一种明显的矛盾关系,超结理论的提出,急剧的缓解了这种关系,从而使得MOSFET器件应用在高压领域成为可能,具有极好的应用前景。本文针对超结结构的优异性,进行了细致的理论研究,并以SJ-MOSFET为主体,仿真设计了一款600V50A的SJ-MOSFET器件,具体而言,本文的主要研究工作和成果如下:  (1)对超结器件的理论模型和电荷平衡进行了深入的分析和研究,基于陈星弼教授的二极管超结理论模型,对存在横向和纵向电场的二维泊松方程进行了推导,对超结电容、反向恢复和准饱和效应进行了介绍;对工艺和器件的电荷平衡进行了研究。  (2)基于Sentaurus TCAD仿真软件,仿真设计了一款600V50A的SJ-MOSFET平面栅元胞结构,并进行了电学参数的分析,仿真数据显示了良好的器件性能;针对工艺中非对称pillar的设计需求,建立了非对称的研究分析模型,通过引入影响设计的非对称因子k,分析了k的物理意义和修正了不同pillar比例下的k值来设计相关参数,推导出超结的设计解析表达式。为了验证设计的准确性,进行了仿真验证和比较,理论与仿真结果符合良好,可以用于超结MOSFET的设计指导。  (3)针对超结器件特殊的终端结构,自主设计了两款终端结构,一种为常规的超结终端,另一种为新型的超结终端,新型终端结合了超结柱,场板和场限环结构,场限环在超结柱的上方,通过调整超结柱和场限环的间距,使得终端区电势均匀分布,同时具有较小的终端面积,和超结元胞区的工艺相兼容,无需增加掩膜版,两种终端都达到了预期的击穿电压。  本文通过TCAD仿真,优化了非对称超结的设计理论;基于深槽刻蚀和多步外延填充工艺设计了一款SJ-MOSFET器件,并对器件的电学参数进行了分析讨论;优化设计了一款新型的终端结构,在不增加工艺复杂度的前提下,获得设定的击穿电压,本文的研究对SJ-MOSFET的设计具有较好的指导和参考意义。
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