低压功率VDMOS的结构设计研究

半导体功率器件与智能功率IC实验学生姓名：田瑞学号：201422030143指导教师：乔明一、实验室名称：211楼803 工作站二、实验项目名称：半导体功率器件与智能功率IC实验——VDMOS器件仿真设计实验三、实验原理：对于阈值电压的调节，可以改变氧化层厚度，氧化层厚度越大，栅对沟道的控制能力越弱，阈值电压越大。

也可以增大沟道区掺杂浓度，浓度越大，沟道区越难反型，阈值电压越大。

MEDICI的使用流程:四、实验目的：通过实验，了解VDMOS器件的结构，掌握VDMOS器件的设计方法，熟悉MEDICI 软件的使用。

五、实验内容：完成一种600V VDMOS器件完整的设计仿真工作，其指标达到预定要求。

其中，主要针对器件耐压、阈值电压、跨导、开态特性进行仿真优化，确定栅氧厚度、沟道浓度、栅长、漂移区掺杂、漂移区厚度等重要的浓度和结构参数。

衬底n+换成p+，再仿真器件的转移特性和击穿特性，比较与VDMOS区别，并分析原因。

VDMOS指标要求：BV > 600VV T 2~3V器件结构构造网格构造器件求解输出MEDICI 输入文件Device Structure SpecificationSolution SpecificationInput/Output预先确定器件结构V20V maxG六、实验器材（设备、元器件）：MEDICI软件七、实验步骤：title VDMOSassign name=nd n.val=1e14assign name=pwell n.val=2e18assign name=dpwell n.val=1.2assign name=tepi n.val=35assign name=ld n.val=6mesh smooth=1x.mesh width=@ld h1=0.10y.mesh n=1 L=-0.1y.mesh n=3 L=-0.017y.mesh n=4 L=0y.mesh depth=@dpwell h1=0.05y.mesh depth=@tepi-@dpwell h1=0.05 h2=0.05 h3=1y.mesh depth=0.5 h1=0.05y.mesh depth=0.1 h1=0.05region name=si siliconregion name=sio y.max=0 oxideelectrod name=gate x.min=1 x.max=@ld-1electrod name=source x.max=0.6 y.max=0electrod name=source x.min=@ld-0.6 y.max=0electrod name=drain y.min=@tepi+0.5$$$$$ n drift $$$$$$$profile region=si n-type n.peak=@nd uniform$$$$$ p-well $$$$profile region=si p-type n.peak=@pwell+@nd xy.ratio=0.4 x.min=0 x.max=1.5 y.junction=@dpwellprofile region=si p-type n.peak=@pwell+@nd xy.ratio=0.4 x.min=@ld-1.5 x.max=@ld y.junction=@dpwell$$$$ n+/p+ source $$$$profile region=si p-type n.peak=1e20 xy.ratio=0.4 x.min=0 x.max=0.4y.junction=0.4profile region=si n-type n.peak=1e20 xy.ratio=0.4 x.min=0.5 x.max=1y.junction=0.2profile region=si p-type n.peak=1e20 xy.ratio=0.4 x.min=@ld-0.4 x.max=@ldy.junction=0.4profile region=si n-type n.peak=1e20 xy.ratio=0.4 x.min=@ld-1 x.max=@ld-0.5 y.junction=0.2$$$ drain $$$profile region=si n-type n.peak=1e20 uniform x.min=0 y.min=@tepi y.max=@tepi+0.5regrid ignore=sio doping logarith ratio=1 smooth=1 cos.angle=0.8$$$$ gate material $$$$$contact name=gate n.polysisave out.f=vdmos.mesh$$$$ plot $$$$plot.2d grid fill scale title=" the orignal gird"plot.2d boundary scale junction fill title="the junction profiles"plot.1d doping y.start=0.01 y.end=0.01 title="surface doping log" y.logplot.1d doping y.start=0.01 y.end=0.01 title="surface doping"plot.1d doping y.start=3 y.end=3 title="y=3 doping log" y.logplot.1d doping y.start=3 y.end=3 title="y=3 doping"plot.1d doping x.start=3 x.end=3 title="x=3 doping log" y.logplot.1d doping x.start=3 x.end=3 title="x=3 doping"八、实验数据及结果分析：器件模型：VDMOS的BV特性曲线：更改参数后BV为642V阈值电压曲线：更改参数后阈值电压为2V衬底n+换成p+时：BV为620V 阈值电压为2.45V九、实验结论：1、由BV特性曲线的比较可知，增大击穿电压BV可以采用的方法有增大漂移区浓度与厚度。

VDMOS二极管的研究与设计的开题报告一、研究背景及意义现代电子技术的快速发展，使得半导体器件成为现代电子领域中最重要的组成部分。

VDMOS二极管是一种具有非常广泛应用前景的功率器件，如能源、通信、交通、医疗、工业等领域中都有广泛的应用。

VDMOS（Vertical Double-diffused MOS）二极管是一种基于MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）的结构而形成的、分布电容和漏电流小、响应时间短、可靠性好的开关器件。

经过长期发展，如今VDMOS二极管已可以承受数百伏电压和数十安电流，能够满足各种大功率电子电路的需求和要求。

目前，国内外对VDMOS二极管的研究和应用越来越多，但在某些高性能、高功率需求的场合，已有的技术和工艺仍无法满足要求。

因此，对VDMOS二极管的深入研究和开发，将不断提高其性能和应用范围，对推动相关领域的发展和进步具有重要作用。

二、研究内容和方法本研究将主要围绕设计和制造VDMOS二极管进行深入探究和研究，具体研究内容如下：1. 研究不同类型材料（如硅、碳化硅等）对VDMOS二极管的影响，优化工艺、改善器件性能，提高器件的x电流密度，优化暂态特性和可靠性。

2. 采用仿真分析的方法，对器件的性能进行优化设计，提高其性能和可靠性。

通过模拟器件的工作电路和参数，得出改进后的设计方案，进一步优化其性能。

3. 建立VDMOS二极管的模型，研究开关特性、响应时间等性能指标，采用MATLAB等软件对电路进行仿真。

研究方法主要为理论分析和仿真计算相结合，通过对各种器件参数进行仿真模拟并不断优化，得出最佳的设计方案。

三、预期成果和意义本研究将针对VDMOS二极管在高性能、高功率需求场合的优化研究，拓宽其应用领域和提高其工作效率和可靠性。

预期研究成果如下：1. 建立器件设计优化模型，得出最优设计方案，提高器件性能和可靠性。

2. 实现VDMOS二极管的制造和测试，得出不同工艺和材料对器件性能的影响规律。

POWER MOSFETS平面VDMOS的剖面图，一般是60V以上的器件，采用1.5um以上的工艺，所以国内以前做IC的厂家都能做。

一般是60V以下的器件，沟槽VDMOS的剖面图，厂家才能做。

IC采用0.5um以下的工艺，所以国内高档的所以加工线的条件非常重要，如加工的线条、刻槽技术、工艺线的环境。

加工线的条件不太重要，所以现在很多的老的5寸、6寸线在做。

但对材料要求很高,是高阻厚外延材料。

加工线的条件及材料要求都很高。

只有国外几家公司在做，如IR、INFINEON。

随着加工技术及设计技术的提高器件的特性不断地改进（以导通电阻为列）。

平面IGBT的剖面图，一般是400V以上的器件，采用2um 以上的工艺，所以国内以前做IC的厂家都能做，但设计及材料要求都很高。

VDMOS和双极管特性比较VDMOS的击穿电压：BV、V DSS BRVDMOS的击穿电压决定于：1、外延材料；浓度及厚度2、体单胞间距3、终端设计4、表面态等工艺控制VDMOS的导通电阻：R ）（DSON低压（200V以下VDMOS的导通电阻（由大到小排列）1、单胞密度（沟道电阻）表面浓度（积累层电阻）2、3、外延材料；浓度及厚度（耐压区电阻）4、设计（颈部电阻）5、封装（有时会到主要地位）6、表面金属化（表面接触电阻）高压200V以上VDMOS的导通电阻（由大到小排列）外延材料；浓度及厚度（耐压区电阻）、1．单胞密度（沟道电阻）、23、设计（颈部电阻）4、表面浓度（积累层电阻）5、表面金属化（表面接触电阻）6、封装VDMOS的跨导：Gfs1、栅、源电压对漏电流的控制能力：在一定的漏电压下，漏电流除以栅、源电压（漏电流为最大允许漏流的一半）2、处决于沟道密度及沟道宽度（从80年到今60倍）VDMOS的域值电压：Vth为使沟道反型所需最小栅、源电压值。

一般高压器件为2—4V低压器件为1—3V寄生二极管的正向压降：一般在1V到1。

6V之间。

高压的器件要大。

功率VDMOS器件失效分析与可靠性研究的开题报告一、研究背景和意义功率VDMOS器件是应用广泛的一种功率器件，其具有开关速度快、失效模式简单、电路结构简单等特点。

在工业、军事、通讯等领域都有广泛的应用。

然而，由于工作条件的苛刻和器件结构的特殊性，VDMOS器件易于发生各种失效，导致系统的可靠性降低，影响系统的正常运行。

因此，研究VDMOS器件的失效机理和可靠性，对提高系统的可靠性具有重要意义。

二、研究内容本课题的研究内容主要包括以下三个方面：1. 功率VDMOS器件失效机理分析首先，要对功率VDMOS器件进行失效机理分析，探究其失效的原因和机制。

通过对器件结构、工作环境、制造工艺等因素的综合分析，确定影响器件失效的主要因素，并建立失效模型。

2. VDMOS器件失效预测和可靠性评估其次，要利用失效模型，对VDMOS器件的寿命进行预测和可靠性评估。

通过对器件进行寿命测试和失效分析，可以验证失效模型的正确性，并可进一步分析器件的性能参数和失效模式。

3. VDMOS器件失效的故障分析和改进最后，根据失效模式和故障分析结果，提出VDMOS器件的可靠性改进措施。

通过改进工艺、设计、结构等方面的措施，提高器件的可靠性和稳定性。

三、研究方法本项目研究采用实验方法和理论分析相结合的方法。

具体而言，将结合工艺制备、电性能测试、器件故障分析为一体的综合实验方法，通过建立失效模型，对器件可靠性进行评估和预测，并提出器件的可靠性改进建议。

四、研究计划1. 确定研究方案，建立研究计划和时间表。

2. 对功率VDMOS器件进行性能测试和故障分析，建立失效模型。

3. 对器件进行寿命测试和可靠性评估。

4. 分析失效模式和故障原因，提出可靠性改进建议。

5. 撰写论文，完成研究报告。

五、预期成果通过本项目研究，可以深入了解功率VDMOS器件的失效机理和可靠性特点，提高对该类器件的认识和理解。

同时，可以形成一套VDMOS器件可靠性分析和改进的方法体系，为提高工业生产中功率器件的可靠性提供一定的技术支持。

4H-SiC VDMOSFET器件结构设计及其界面分析4H-SiC VDMOSFET器件结构设计及其界面分析1. 引言4H-SiC VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）是一种常用于高功率和高温环境的功率器件。

其特点是具有低导通电阻、低开关损耗和高温稳定性等优势。

本文将重点探讨4H-SiC VDMOSFET的结构设计以及在界面方面的分析。

2. 4H-SiC VDMOSFET的结构设计4H-SiC VDMOSFET的基本结构包括上半部分的N沟道区域和下半部分的P基区域。

N沟道区域是导电区域，用于控制电流的流动；P基区域是隔离区域，用于控制电流的通断。

需要注意的是，这两个区域之间的界面层的特性对器件性能有着重要影响。

3. 4H-SiC VDMOSFET界面分析3.1 陷阱态由于材料的特殊性质，4H-SiC VDMOSFET的界面层容易产生陷阱态。

这些陷阱态会捕获控制电荷，从而导致器件的频率响应和开关速度降低。

因此，需要通过合理的工艺控制和优化结构设计，降低陷阱态的密度。

3.2 氧化层在4H-SiC VDMOSFET的界面层中，氧化层是比较重要的一部分。

氧化层的厚度和质量直接影响器件的电流特性和开关速度。

较厚的氧化层可以增加界面的耐压能力，但会降低导通的效率；较薄的氧化层则会导致界面的漏电流增加。

因此，在设计中需要权衡考虑氧化层的厚度。

3.3 界面特性界面层的特性对4H-SiC VDMOSFET的关断特性和开启特性有着重要影响。

在关断过程中，界面的漏电流需要尽量减小，以确保器件可以有效地阻断电流；而在开启过程中，界面的电流传输需要尽量快速，以确保器件可以快速导通。

因此，在设计中需要综合考虑界面特性来优化器件的性能。

4. 结论本文探讨了4H-SiC VDMOSFET的结构设计及其界面分析。

结构设计包括N沟道区域和P基区域的设计，以及合理控制陷阱态的密度。

界面分析涉及陷阱态、氧化层厚度和质量、以及界面特性对器件性能的影响。

大功率VDMOS(200V)的设计研究功率MOS 场效应晶体管是新一代电力电子开关器件，在微电子工艺基础上实现电力设备高功率大电流的要求。

自从垂直导电双扩散VDMOS(VerticalDou-ble-diff used Metal Oxide Semiconductor)新结构诞生以来，电力MOSFET 得到了迅速发展。

本文分别从管芯的静态参数设计方面，介绍了VMDOS(200 V)设计的方法以及仿真的结果，并对流片结果进行了比较。

1 芯片设计1.1 芯片设计思路设计高压的VDMOS 器件，希望得到高的耐压容量，低的特征导通电阻。

降低导通电阻的方法主要是：减薄外延厚度、降低外延层电阻率、增加栅长LG、降低P-body 的结深(xp+wo);而高的耐压容量要求：增加外延层厚度、增加外延电阻率、减小橱长LG，P-body 的结深对耐压的影响取决于P-body 间距的减小和外延耗尽厚度的减薄哪个因素对耐压的影响更大。

高压VDMOS 的静态参数优化设计主要矛盾集中在外延的选择、栅长及P-body 的结深的确定上。

1.2 VDMOS 耐压的设计使半导体器件耐压受到限制的电击穿有雪崩击穿与隧道击穿2 种，隧道击穿主要发生在耐压小于7 V 的低压器件中。

在这里只讨论高压器件所涉及到的雪崩击穿。

计算雪崩击穿的公式：αeff=1.8 乘以10-35E7cm-1式中：E 以V/cm 为单位。

表1 中列出了几种结的击穿电压、最大电场EM 与耗尽层厚度的关系。

表1 中：VBR 的单位V，NB 的单位为cm-3。

NB 对单边突变结代表轻掺杂。

700V功率VDMOS设计功率MOS场效应晶体管是近年来功率器件领域发展速度相当快的一种新型器件。

垂直双扩散MOS管(VDMOS)作为功率MOS的重要一员,由于其输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、驱动功率低、频率特性好、热稳定性好等特点,为电力电子领域不断高速发展提供强大支撑力量,大量应用于开关电源、车用电子、光伏照明等市场。

随着VDMOS应用领域的不断扩展,VDMOS的低压与中高压产品也越来越多。

对于低压领域的VDMOS,导通电阻越低,功耗越小,市场竞争力越强；而对于中高压VDMOS而言,器件耐压越高,对产品设计的要求就越高,投入的成本也会相应增大,想要得到更强的市场竞争力就越难。

本文首先介绍功率半导体器件的发展历程与应用频率和电压范围,并对功率VDMOS的发展与现状作了详细介绍。

紧接着介绍了700V功率VDMOS的设计过程。

基于Sentaurus TCAD仿真平台,本文设计击穿电压700V,导通电阻2.4Ω、3.0Ω2、3.3Ω2,阈值电压2～4V的功率VDMOS.在生产工艺有一定限制的情况下,通过仿真优化元胞结构,减小导通电阻。

本文的终端结构是在一款失效终端基础上改进并重新优化设计的。

首先,通过电测、微光显微镜(EMMI)漏电流定位和扫描电子显微镜(SEM)形貌分析等手段,对一款700V场限环终端结构进行失效分析。

通过大量仿真验证,研究其电流密度、电场、静电势和空间电荷等仿真模型,进一步发现造成耐压不足的场板(FP)结构问题,并研究确定了有效的改进办法。

最终,经过优化得到一款耐压770V、硅表面电场2.0E5V · cm-1左右、分布非常均匀可靠的终端结构。

最后,本文对700V功率VDMOS进行版图设计。

在版图设计前,对芯片元胞面积进行估算；在版图完成后,又对这三颗导通电阻不同芯片的元胞面积进行准确计算。

通过对流片结果导通电阻的分析,发现其平均值与版图计算值吻合度均超过96%,表明了本文导通电阻设计方法、仿真参数的可靠性以及版图完成后对导通电阻计算的准确性。

VDMOS功率晶体管版图设计VDMOS功率晶体管的版图设计系专业姓名班级学号指导教师职称指导教师职称设计时间2012.9.15－2013.1.4摘要VDMOS 是微电子技术和电力电子技术融和起来的新一代功率半导体器件。

因具有开关速度快、输入阻抗高、负温度系数、低驱动功率、制造工艺简单等一系列优点，在电力电子领域得到了广泛的应用。

目前，国际上已形成规模化生产，而我国在VDMOS 设计领域则处于起步阶段。

本文首先阐述了VDMOS 器件的基本结构和工作原理，描述和分析了器件设计中各种电性能参数和结构参数之间的关系。

通过理论上的经典公式来确定VDMOS 的外延参数、单胞尺寸和单胞数量、终端等纵向和横向结构参数的理想值。

根据结构参数，利用L-edit版图绘制软件分别完成了能够用于实际生产的60V、100V、500V VDMOS 器件的版图设计。

在此基础之上确定了器件的制作工艺流程，并对工艺流水中出现的问题进行了分析。

最后，总结全文，提出下一步研究工作的方向。

关键词：，功率半导体器件，版图设计，原胞，击穿电压目录第1章绪论电力电子系统是空间电子系统和核电子系统的心脏，功率电子技术是所有电力电子系统的基础。

VDMOSFET 是功率电子系统的重要元器件，它为电子设备提供所需形式的电源以及为电机设备提供驱动。

几乎大部分电子设备和电机设备都需用到功率VDMOS 器件。

VDMOS 器件具有不能被横向导电器件所替代的优良性能，包括高耐压、低导通电阻、大功率和可靠性等。

半导体功率器件是电力电子系统进行能量控制和转换的基本电子元器件，也称为电力电子开关器件。

它是用来进行高效电能形态变换、功率控制与处理，以及实现能量调节的新技术核心器件。

电力电子技术的不断发展为半导体功率器件开拓了广泛的应用领域，而半导体功率器件的可控制特性决定了电力电子系统的效率、体积和重量。

实践证明，半导体功率器件的发展是电力电子系统技术更新的关键。

通常，半导体功率器件是一种三端子器件，通过施加于控制端子上的控制信号，控制另两个端子处于电压阻断（器件截至）或电流导通（器件导通）状态。

功率VDMOS设计与优化方法的研究摘要：功率VDMOS（Vertical Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor）器件是一种常见的功率半导体器件，被广泛应用于电力电子领域。

本文以功率VDMOS设计与优化方法为研究对象，探讨了该器件的结构、工作原理以及设计与优化方法。

通过分析功率VDMOS的内部结构和工作原理，我们了解到该器件由漏极、源极、栅极和衬底四部分组成。

在正向工作过程中，当栅极电压为正时，形成漏极-源极间的导通路径，从而实现功率开关操作。

为了提高功率VDMOS的性能，研究者提出了多种设计与优化方法。

首先，根据功率VDMOS的应用需求，合理选择材料和工艺参数。

功率VDMOS的漏极材料通常采用高掺杂的N型硅材料，而栅极材料则选择金属材料，如铝或铜。

此外，通过调整掺杂浓度和尺寸等参数，可以优化器件的导通与断开性能。

其次，结构设计是提高功率VDMOS性能的重要方法。

通过改变器件的结构尺寸和形状，可以优化电场分布和电流密度分布，从而提高器件的导通能力和散热能力。

常见的结构设计包括缩小通道长度、加宽漏极区域、增加栅极金属功率线等。

最后，优化电路布局和散热设计也是提高功率VDMOS性能的关键。

合理布局器件和电路，减小电流回路的长度和电阻，可以降低功率损耗和温升。

同时，合理设计散热系统，增加散热面积和散热通道，可以有效降低器件温度，提高可靠性和稳定性。

通过以上方法的研究与应用，可以有效提高功率VDMOS的性能。

然而，需要注意的是，在设计与优化过程中，需要综合考虑器件的电气特性、热特性以及可靠性等因素，以实现最佳的设计与优化效果。

关键词：功率VDMOS，设计与优化，材料选择，结构设计，电路布局，散热设计。