功率金属-氧化物半导体场效应晶体管静电放电栅源电容解析模型的建立

在实际静电放电测试时,发现各种功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的静电放电测试结果均呈现出正反向耐压不对称现象,而人体与器件接触时的静电放电过程是不区分正反向的.正反向耐压差异较大对于功率MOSFET或作为静电放电保护器件来说都是无法接受的,其造成器件失效的问题格外凸显.本文通过建立SGT-MOSFET,VUMOSFET和VDMOS在静电放电正反向电压下的栅源电容解析模型,对比分析了三种功率MOSFET器件静电放电正反向耐压不对称及其比值不同的原因,为器件的静电放电测试及可靠性分析提供了理论依据.

垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管电学法热阻测试中测试电流的研究

本文针对垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管器件电学法热阻测试的关键参数——测试电流的影响因素进行研究,测试电流选择恰当与否是热阻测试的先决条件。通过理论分析和三款典型垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管器件的试验验证,得出一种通过测试电流自升温、测试延迟时间及校温曲线这3个方面有效确定垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管器件电学法热阻测试时测试电流的方法。

U型槽刻蚀工艺对GaN垂直沟槽型金属-氧化物-半导体场效应晶体管电学特性的影响

U型槽的干法刻蚀工艺是GaN垂直沟槽型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)器件关键的工艺步骤,干法刻蚀后GaN的侧壁状况直接影响GaN MOS结构中的界面态特性和器件的沟道电子输运.本文通过改变感应耦合等离子体干法刻蚀工艺中的射频功率和刻蚀掩模,研究了GaN垂直沟槽型MOSFET电学特性的工艺依赖性.研究结果表明,适当降低射频功率,在保证侧壁陡直的前提下可以改善沟道电子迁移率,从35.7 cm^2/(V·s)提高到48.1 cm^2/(V·s),并提高器件的工作电流.沟道处的界面态密度可以通过亚阈值摆幅提取,射频功率在50 W时界面态密度降低到1.90×10^12 cm^-2·eV^-1,比135 W条件下降低了一半.采用SiO2硬刻蚀掩模代替光刻胶掩模可以提高沟槽底部的刻蚀均匀性.较薄的SiO2掩模具有更小的侧壁面积,高能离子的反射作用更弱,过刻蚀现象明显改善,制备出的GaN垂直沟槽型MOSFET沟道场效应迁移率更高,界面态密度更低.

大功率射频Si-VDMOS功率晶体管研制

介绍了大功率射频硅-垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管(Si-VDMOS)的研制结果,采用栅分离降低反馈电容技术、多子胞降低源极电感技术等,从芯片原理着手,比较分析两种芯片结构设计对反馈电容的影响,以及两种布局引线对源极电感的影响,并研制出了百瓦级以上大功率射频Si-VDMOS功率晶体管系列产品。产品主要性能如下:在工作电压28 V及连续波下,采用8胞合成时,225 MHz输出功率达200 W以上,500 MHz输出功率达150 W以上;进一步增加子胞数量,采用12胞合成时,225 MHz输出功率达300 W以上,同时具备良好的增益及效率特性,与国外大功率射频Si-VDMOS功率晶体管的产品参数相比,达到了同类产品水平。

530～650MHz 20W CW Si-VDMOS场效应晶体管

报道了530-650 MHz 20W连续波Si-VDMOS场效应晶体管的研制结果。该器件采用polySi／WN／Au的多层复合栅技术降低栅串联电阻，采用栅下场氧化垫高技术降低反馈电容，采用穿通型硅外延材料优化导通电阻提高器件工作效率，全离子注入自对准工艺等技术，在上述频带内，连续波，28V工作电压下，静态电流50mA，该器件输出功率达20w，效率达49％，增益大于7．5dB。

高功率微波作用下热载流子引起n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管特性退化研究

高功率微波(HPM)通过使半导体器件特性退化和功能失效,从而干扰电子系统无法正常工作.针对金属氧化物半导体(MOS)器件的HPM效应,建立了高功率微波引起n型金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOSFET)特性退化的物理过程与模型.器件仿真结果中nMOSFET的输出特性曲线显示栅极注入HPM引起器件特性退化,包括阈值电压正向漂移、饱和电流减小、跨导减小等;结合物理模型分析可知,HPM引起的高频脉冲电压使器件进入深耗尽状态,热载流子数目增多,热载流子效应导致器件特性退化.MOS器件的HPM注入实验结果显示,器件特性曲线、器件模型参数变化趋势与仿真结果一致,验证了HPM引起nMOSFET特性退化的物理过程与模型.

基于辐照前1/f噪声的金属-氧化物-半导体场效应晶体管辐照退化模型

基于金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)噪声的载流子数涨落和迁移率涨落理论,建立了MOSFET辐照前1/f噪声参量与辐照后分别由氧化层陷阱和界面陷阱诱使阈值电压漂移之间的定量数学模型,并通过实验予以验证.研究结果表明,辐照诱生的氧化层陷阱通过俘获和发射过程与沟道交换载流子,在引起载流子数涨落的同时也通过库仑散射导致沟道迁移率的涨落,因此辐照前的1/f噪声幅值正比于辐照诱生的氧化层陷阱数.利用该模型对MOSFET辐照前1/f噪声与辐照退化的相关性从理论上进行了解释,同时也为MOSFET抗辐照能力预测提供理论依据.

新一代功率半导体β-Ga2O3器件进展与展望

Ga2O3是一种新兴的超宽禁带半导体材料,具有超宽带隙4.8 eV、超高理论击穿电场8 MV/cm以及超高的Baliga品质因数等优良特性,作为下一代高功率器件材料其越来越受到人们的关注。首先,回顾了宽禁带半导体材料β-Ga2O3的基本性质,包括β-Ga2O3的晶体结构和电学性质,简述了基于β-Ga2O3制造的功率器件,主要包括肖特基势垒二极管(SBD)和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。总结回顾了β-Ga2O3SBD和MOSFET近年来的研究进展,比较了不同结构器件的特性,并分析了目前β-Ga2O3功率器件存在的问题。分析表明,β-Ga2O3用于高功率和高压电子器件具有巨大潜力。

基于电-热-结构耦合分析的SiC MOSFET可靠性研究

作为应用前景广阔的功率器件,SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的可靠性分析至关重要。基于结构几何、材料特性和边界条件的建模方法可以显著缩短失效分析周期。考虑器件电阻随温度变化的特性,构建电-热-结构耦合的有限元模型,针对健康状态及不同失效模式进行温度和应力研究。结果表明,功率循环过程中键合线与芯片连接处受到的热应力最大,焊料层与芯片接触面的边缘位置次之;键合线失效对器件寿命影响最大,且焊料层中心空洞产生的应力大于边缘空洞产生的应力。仿真结果可为提升器件可靠性提供重要参考。

1000V 4H-SiC VDMOS结构设计与特性研究

设计并优化了一种基于4H-SiC的1000V垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(VDMOS),在留有50%的裕度后,通过Silvaco仿真软件详细研究了器件各项参数与耐压特性之间的关系。经优化,器件的阈值电压为2.3V,击穿电压达1525V,相较于相同耐压条件下的Si基VDMOS,4H-SiC VDMOS的击穿电压提升了12%。此外,击穿时4H-SiC VDMOS表面电场分布相对均匀,最大值为3.4×10^(6)V/cm。终端有效长度为15μm,约为Si基VDMOS的6%,总体面积减小了近1/10。并且4H-SiC VDMOS结构简单,与相同耐压条件下的Si基VDMOS相比,未增加额外的工艺步骤,易于实现。

栅极下加氧化层的新型沟槽栅E-JFET仿真研究

新结构沟槽栅E-JFET的特点是在栅极下隐埋局域氧化层,以降低栅电容,从而改善器件的开关速度,尤其是适用于低压高频领域。通过理论及仿真分析,与无埋氧化层的沟槽栅MOSFET以及沟槽栅E-JFET进行了性能比较。结果证明,该结构具有最低的开关功耗,即QG最小,在相同条件下相对于沟槽栅MOSFET和沟槽栅E-JFET来说,QG的改善分别可达到86.3%和13.4%。

SiC-MOSFET与Si-IGBT混合开关车载双向充电器中线桥臂设计及控制

为增强电动汽车与电网的互动能力,车载双向充电器已成为现研究的热点。设计采用碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(silicon carbide-metal oxide semiconductor filed effect transistor,SiC-MOSFET)与硅绝缘栅双极型晶体管(silicon-insulated gate bipolar transistor Si-IGBT)相结合,完成了基于双有源桥(dual active bridge,DAB)与三相四线逆变器级联的双向充电系统。通过建立逆变器数学模型分析了不平衡负载下产生分裂电容电压震荡的原因,描述了震荡幅值与负载不平衡度之间的关系,为分裂电容值的选择提供了理论依据。对实际控制系统中存在的延迟,分析使用Si-IGBT构建中线桥臂的可行性,提出了基于虚拟阻抗的双向充电器在不平衡负载下中线桥臂与其他3个桥臂之间的解耦控制方法。并使用10kHz与50kHz开关频率验证了不平衡负载下该控制方法对分裂电容电压震荡的抑制作用。提出该系统在V2G,G2V及V2H这3种不同工作模式下的详细控制策略,通过实验验证了不同模式下的控制策略及中线解耦控制方法的可行性和有效性。并进一步分析该拓扑结构在V2H模式下同时为多个不同住宅提供单相电的可能性,为采用SiC设计类似的电力电子设备提供系统的设计方案及控制方法。

基于SiC和Si器件的燃料电池汽车DC-DC变换器的性能

为实现燃料电池汽车输出电压、功率的调节与控制,采用了一种交错式双Boost电路的大功率直流-直流(DC-DC)变换器,其中应用了Si和SiC功率器件。基于电路损耗计算和效率仿真手段,对比分析了全SiC[金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件、SiC二极管]、SiC MOSFET和Si二极管的混合器件和全硅Si[绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件、Si二极管]的变换器在电路损耗。结果表明:Si IGBT的开通和关断损耗约是SiC MOSFET的3倍和10倍,在不同工况下,全SiC变换器的转换效率比全Si变换器高1%~3.1%。因而,SiC功率器件在大功率DC-DC变换器的应用中,能够提高功率密度、可靠性和动力系统工作效率。

热载流子应力下n-MOSFET线性漏电流的退化

研究了不同沟道和栅氧化层厚度的n-M O S器件在衬底正偏压的VG=VD/2热载流子应力下,由于衬底正偏压的不同对器件线性漏电流退化的影响。实验发现衬底正偏压对沟长0.135μm,栅氧化层厚度2.5 nm器件的线性漏电流退化的影响比沟长0.25μm,栅氧化层厚度5 nm器件更强。分析结果表明,随着器件沟长继续缩短和栅氧化层减薄,由于衬底正偏置导致的阈值电压减小、增强的寄生NPN晶体管效应、沟道热电子与碰撞电离空穴复合所产生的高能光子以及热电子直接隧穿超薄栅氧化层产生的高能光子可能打断S i-S iO2界面的弱键产生界面陷阱,加速n-M O S器件线性漏电流的退化。

耗尽型6H-SiC埋沟PMOSFET电流解析模型

在考虑到杂质的不完全离化作用时，建立了SiC埋沟PMOSFET在发生表面多子耗尽时的电流解析模型。实验结果和模拟结果的一致性说明了此模型的准确性。在300～600K温度范围表面弱电场的条件下．由于杂质不完全离化作用得到充分体现．因此器件的工作状态有不同于常规模型下的特性；当温度升高时离化率的增大使得杂质的不完全离化作用得不到体现，所以文中模型的结果向常规模型的结果靠近．且都与实验结果接近。同时为了充分利用埋沟器件体内沟道的优势．对埋沟掺杂的浓度和深度也进行了合理的设计。

利用背面Ar^+轰击改善n-MOSFET饱和区特性

用550eV的低能量Ar+离子束轰击n MOSFET(n沟金属-氧化物-半导体场效 应晶体)芯片的背面,以改善其饱和区的直流特性(如跨导、阈值电压和表面有效迁移率) 以及低频噪声等.结果表明,随着轰击时间的增加,跨导和沟道表面有效迁移率先增大后 减小,阈值电压先减小后增大,而低频噪声在轰击后明显减小.实验证明,上述参数的变化 是硅—二氧化硅界面的陷阱密度和二氧化硅中固定电荷密度在轰击后变化的结果.

基于表面势的N沟4H-SiCMOSFETI-V特性解析模型

报道了一种适于模拟 n沟 4H-Si C MOSFET直流 I-V特性的整体模型。该模型充分考虑了常温下 Si C中杂质不完全离化以及界面态电荷在禁带中不均匀分布的影响 ,通过解析求解泊松方程以及牛顿 -拉夫森迭代计算表面势 ,得到了表面电场以及表面势的分布 ,并以此为基础采用薄层电荷近似 ,计入栅压引起的载流子迁移率退化效应 ,导出了可用于所有器件工作区的统一漏电流解析表达式。当漏偏压为 1 0 V,栅压为 1 2 V时 ,模拟得到的饱和漏电流接近 40 m A。计算结果与实验值符合较好。

β-Ga2O3欧姆接触的研究进展

近年来,随着氧化镓(Ga2O3)晶体生长技术取得突破性进展,氧化镓材料及器件的研究与应用成为国际上超宽禁带半导体领域的研究热点。综述了β-Ga2O3衬底的一些优点以及面临的挑战,重点介绍了如何实现良好的欧姆接触。围绕采用低功函数金属、表面预处理、衬底掺杂和引入中间层的方法,阐述了目前国际上金属/β-Ga2O3欧姆接触的最新研究进展。总结了不同实验条件下可以获得的比接触电阻,目前可以获得的最低比接触电阻是4.6×10^-6Ω·cm^2。最后,预测未来金属/β-Ga2O3欧姆接触的主要研究方向是提高欧姆接触的热稳定性。

一种PDP扫描驱动芯片的HV-PMOS的研究和实现

对一种适用于106.68cm PDP扫描驱动IC的HV-PMOS器件进行了分析研究。通过使用TCAD软件对HV-PMOS进行了综合仿真,得到了器件性能最优时的结构参数及工艺参数。HV-PMOS器件及整体扫描驱动IC在杭州士兰集成电路公司完成流片。PCM(Process control module)片上的HV-PMOS击穿电压达到了185V,阈值为6.5V。整体扫描驱动芯片的击穿电压达到了180V,满足了设计要求。

电阻耦合型神经MOS晶体管及其差分四象限模拟乘法器

电阻耦合型神经 MOS晶体管是在电容耦合 (浮栅 )型神经 MOS晶体管基础上提出来的 ,它克服了电容耦合型神经 MOS晶体管中由于电容耦合而产生的缺点。文中介绍了电阻耦合型神经 MOS晶体管的基本结构和特点 。