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1、 分类号： 密级： U D C ： 编号： 工学硕士学位论文 栅增强功率 UMOSFET 深槽介质工程模拟研究 硕士 研究 生硕士 研究 生 ：兰 昊 指导教师指导教师 ：王 颖 教授 学位级别学位级别 ：工学硕士 学科 、专 业学科 、专 业 ：电路与系统 所在单位所在单位 ：信息与通信工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 ：2013 年 3 月 4 日 论 文 答 辩 日 期论 文 答 辩 日 期 ：2013 年 3 月 11 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 ：哈尔滨工程大学 Classified Index: U.D.C: A Dissertation
2、 for the Degree of M. Eng Simulation Research of Gate Enhanced Power UMOSFET with Deep Trench Dielectrics Engineering Candidate: Lan Hao Supervisor: Prof. Wang Ying Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Circuits and Systems Date of Submission: Mar. 4 2012 Date of Oral Examina
3、tion: Mar. 11 2012 University: Harbin Engineering University 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者（签字）： 日期： 年 月 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即
4、研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文 （在授予学位后即可 在授予学位 12 个月后 解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者（签字）： 导师（签字）： 日期： 年 月 日 年 月 日 栅增强功率 UMOSFET 深槽
5、介质工程模拟研究 摘 要 近些年来，随着电力工业的发展和环保意识的提高，高效和节能越来越受到人们的重视。因此，对功率MOS器件的功耗和转换效率要求也越来越高。拥有高的耐压的同时又拥有低的导通电阻的功率器件，被许多现代电子工业应用领域所要求。功率槽栅MOSFET器件是从VDMOS和VMOS基础上发展而来。功率槽栅MOSFET应为拥有可集成度高，导通电阻低，开关速度快，开关损耗低等特点，而被广泛应用于各种电源管理和开关转换。近几年，许多功率器件结构被提出，以提高特征导通电阻和击穿电压的折中。其中，最值得关注的使降低表面电场效应（RESURF）和超结效应（SJ） 。并且，在通过MOS电容原理对漂移区
6、进行耗尽的基础上，一些和SJ等效的器件结构被提出。 本论文主要内容是围绕功率槽栅 MOSFET 器件的击穿电压、特征导通电阻和栅电荷进行研究。模拟研究栅增强功率 UMOSFET 深槽介质工程，提出了一种多槽栅介质的分裂栅功率 MOSFET（MTDSG-UMOS）器件。该结构采用一种新的方式提高器件漂移区的电场分布情况，以提高器件的特征导通电阻和击穿电压的折中，同时也拥有良好的特征导通电阻和栅电荷的折中情况。MTDSG-UMOS 通过增加对漂移区的横向耗尽提高击穿电压。本文具体研究内容如下： (1) 栅增强功率UMOSFET深槽介质工程的理论研究。在理解OB和GOB的理论分析的基础上，针对其特点
7、和不足，提出了一种新的改善漂移区电场分布的方法，并作出了理论分析研究。结构的介质层是由多种不同介电常数的介质组成，代替了原来单一的介质。通过适当的介质分布使漂移区电场分布得到改善，实现拥有较高击穿电压的同时拥有较低的特征导通电阻。理论分析研究过程中，也获得了器件主要的参数模型，使得器件的主要参数能够容易通过表达式获得。 (2) 栅增强功率UMOSFET深槽介质工程的器件结构与仿真。 提出了一种新的多种沟槽介质型分裂栅功率UMOSFET (MTDSG-UMOS)。 特点是将MTDSG-UMOS结构中介质层分成好几段，每一段采用不同的介电常数的介质。以三种常用介质为例子，进行仿真分析，来证实该结构
8、拥有良好的电学性能。为了更好的理解和证明该理论分析，采用两组仿真数据，分别为120V和180V设计参数。最后将MTDSG-UMOS和GE-UMOS进行了仿真对比，仿真结果显示了相比于传统斜场板结构的优势。相比于GE-UMOS，在击穿电压同为123V情况下，MTDSG-UMOS特征导通电阻降低了15%，栅电荷降低了64%。数据结果表明了该结构高的性能，提高了器件的品质因数QgRSP和 BV2/RSP。此外，哈尔滨工程大学硕士学位论文 MTDSG-UMOS 不再采用斜场板结构，避免了GE-UMOS结构中形成所需要角度斜场板的工艺难度。 (3) 栅增强功率UMOSFET深槽介质工程的器件结构的改进。
9、 提出了一种低栅漏电荷（Qgd）的MTDSG-UMOS 结构。该结构的提出是为了降器件的栅漏电荷。通过在多晶硅分裂电极上引入一层屏蔽层多晶硅，使寄生电容降低。该屏蔽层属于分裂多晶硅电极的一部分， 与上面的栅极由绝缘层隔开。 通过仿真研究， 表明该结构改善了栅漏电荷Qgd，使其降低了70 %， 器件优值FOM=QgdRSP降低了61%， 从而实现了一个良好的RSP和Qgd的折中情况。低的Qgd将会使得该结构在高的开关频率转换中拥有很好的转换效率。 关键词：功率 MOSFET；分裂栅极；多沟槽介质；特征导通电阻；栅漏电荷栅增强功率 UMOSFET 深槽介质工程模拟研究 ABSTRACT With
10、the evolution of power industry and the improvement of environmental awareness in recent years, high efficiency and energy saving are taken seriously more and more. Therefore, the requirement of the power consumption and power conversion efficiency of the power MOS devices has been increased constan
11、tly. Power devices with the property of high blocking capability but lower on resistance are required in many applications of modern power electronics. Power trench MOSFET (UMOSFET) is a power semiconductor device which developed on the basis of VDMOS and VMOS. Power UMOSFET has been widely used in
12、many kinds of power management and switch because it has high integration, low on-resistance, fast switching speed and low switching losses. A number of device concepts have been proposed in order to improve tradeoff between specific on-state resistance (RSP) breakdown voltage (BV). The most noticea
13、ble are the introduction of the RESURF effect and the superjunction (SJ) effect. In recent years, based on the depletion of the drift region by MOS capacitors, some equivalent discrete devices have emerged. The main contents of this thesis are about the breakdown voltage，the specific on-resistance a
14、nd gate charge of Power trench MOSFET devices. Simulation research of gate enhanced power UMOSFET with deep trench dielectrics engineering. The split-gate power UMOSFET with multiple trench dielectrics (MTDSG-UMOS) ，a new way of approach to improve the electric field distribution in the drift region
15、, is proposed to improve RSP versus BV tradeoff and also can give a good RSP versus Qg tradeoff. MTDSG-UMOS bring forth enhanced breakdown voltage by helping to deplete the n-drift region horizontally. The contents of the research as follows: (1) The theoretical analyses research of gate enhanced power UMOSFET with deep trench dielectrics engineering. Based on the analyses and disadvantage or advantage of OB and GOB, a new way of approach to improve the electric field distribution in the drift region has been provided. This work provides a theoretical analyses appro
