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1、DC—DC转换器中功率沟槽MOSFET的优化设计2007年第24卷第8期微电子学与计算机157DC—DC转换器中功率沟槽MOSFET的优化设计沈伟星,冉峰,程东方,徐志平(上海大学微电子研究与开发中心,上海200072)摘要:利用工艺和器件模拟软件TSUPREM一4和MEDICI,研究了工艺参数对DC—DC转换器中的功率沟槽MOSFET的通态电阻R～栅一漏电容Csa的影响以及栅一漏电荷Q在开关过程中的变化,指出了在设计和工艺上减小通态电阻R和栅一漏电容Csa,提高器件综合性能的途径.关键词:功率沟槽MOSFET;通态电阻
2、;栅一漏电荷;工艺模拟;器件模拟中图分类号:TN386文献标识码:A文章编号:1000—7180(2007)08—0157—04OptimalDesignforPowerTrenchMOSFETinDC?—-DCJ10nVertorSHENWei—xing,RANFeng,CHENGDong—fang,XUZhi—ping(MicroelectronicResearch&DevelopmentCenter,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)Abstract:Thisp
3、aperhasresearchedtheaffectionofprocessparameteronthespecificon—resistanceR凶onandgate—draincapacitanceCsaoflowvoltagepowertrenchMOSFETinDC-DCconverterbyusingsimulationtoolsTSUpREM一4andMEDICI.TheaffectionontheCgdofMOSFETinswitchingperiodhasalsobeenresearched.Basedo
4、nthisconclu—sion,thepaperindicatesthemethodtoreducetheRdB,onandCsaindesignandprocessmanufacture,andtheapproachtoimprovetheoverallperformanceofdevice.Keywords:powertrenchMOSFET;specificon-resistance;gate-draincharge;processsimulation;devicesimulation1引言在低压大电流功率器件应
5、用中.平面型VD—MOSFET由于其器件结构所限f1].已逐渐被通态电阻更小的沟槽功率MOSFET所取代回因为沟槽MOSFET完全消除了JFET效应.通态性能有很大的提高,目前已广泛应用于开关电源,DC—DC转换,充电电池保护,电机驱动和汽车电子等领域【3一.在典型的DC—DC转换器的应用中.其优化设计是器件的耐压,通态损耗和开关损耗之间的平衡【5J.通常情况下.通过提高单元密度可以降低器件的通态电阻.然而单元密度的提高使器件的极间电容增大.导致器件的开关性能下降同时单元密度的继续提高会受到工艺条件的限制文中利用二维模拟
6、软件TCAD研究了在一定的栅沟槽宽度和单元问隔的条件下的氧化层厚度,沟道掺杂浓度,外延层浓度和栅沟槽深度等工艺参数对器件的通态电阻和开关性能的影响.通过调整各工艺参数.进一步优化了器件的性能,并给出了两种沟槽功率MOSFET优化设计的结果.收稿日期:2006—11-29基金项目:上海市教委资助项目(05AZ79)2通态电阻R与栅漏电容c砷沟}f_=_iMOSFET的通态电阻由源区电阻…沟道电阻,,,积累层电阻.,漂移区电阻衬底电阻各部分组成,对于工作在2O30V范围的器件.沟道电阻,积累层电阻和漂移区电阻之和占总通态电阻
7、的90%以上[61因此沟道区和外延层参数的优化有利于器件通态电阻的减小沟槽MOSFET的电容是由各电极极板之间的电容构成,其中栅电容主要由栅一源电容和栅一漏电容组成,而栅一漏电容依赖于漏～源电压,栅一漏电容C的大小直接关系到所充的电荷p的大小,它关系到器件的开关性能,是影响器件应用最重要的电容由于密勒效应的放大作用,C将会大大降低频率响应.所以减小该电容值是非常重要的.此外通过减小栅极与漂移区的交叠.减小栅一漏交叠电容.可以显着改善功率MOSFET的开关性能.典型的功率MOSFET的栅极充电曲线以及漏极电流,漏极电压变化
8、随栅电压变化曲线如图1所示.曲线表示器件的栅极充电过程及漏源电压由,栅源电压及漏源电流在开关期间的变化.从158微电子学与计算机2007年第24卷第8期图1可以看出,当栅极电压上升到平台电压后,随着源漏电压的下降.栅漏极之间的耗尽区减薄直至消失,栅一漏电容增大到最大值.该电容的增大与器件的增益和负载电阻大小有关.此过
