一种SiC功率MOSFET器件结构的优化设计方法

技术领域

本发明涉及SiC功率器件结构设计技术领域，尤其是涉及一种SiC功率MOSFET器件结构的优化设计方法。

背景技术

与Si基器件相比，SiC基MOSFET可以实现更高耐压、更低导通电阻、更小损耗，从而给牵引变流系统和电力传输系统的研发设计带来更多便利。此外，SiC芯片具有更低的输出电容和栅电荷，这使得器件具有高开关速度、低开关损耗、高开关频率的优点。因此，SiC功率MOSFET器件在汽车电机控制器、车载充电器、DC-DC转换器和光伏逆变器中均具有广泛的应用。

为了在各种应用中满足不同的电气特性和限制，MOSFET需要尽可能同时实现高击穿电压和低导通电阻。目前通常是在制造之前进行经验分析、数值计算和模拟后再通过TCAD模拟优化器件结构，以确定出影响器件电性能的几何参数、掺杂浓度和其他特性参数，这种方式需要对大量输出参数进行评估和计算，且针对不同应用条件需要提出不同的设计方式，导致实际应用中存在设计效率低、设计成本高且难以保证准确性的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种SiC功率MOSFET器件结构的优化设计方法，能够扩大应用范围、降低设计成本和设计时间，同时提高设计准确性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种SiC功率MOSFET器件结构的优化设计方法，包括以下步骤：

S1、构建SiC功率MOSFET导通电阻的模型，确定导电路径上各个部分的导通电阻的大小与器件结构和各个特征参数之间的关系；

S2、基于理论分析，分别获得击穿电压与特征参数之间关系、导通电阻与特征参数之间关系的模型与公式；

S3、根据工艺限制、栅极氧化物临界击穿场强，校准步骤S2得到的模型与公式，并加以限制，限制后确定器件的导通电阻；

S4、通过多目标优化粒子群算法，对击穿电压和导通电阻进行优化，获得SiC功率MOSFET器件结构最优结果的Pareto前沿；

S5、针对特定的需求，筛选步骤S4中获得的对应特征参数、击穿电压和导通电阻；

S6、构建TCAD模型验证并校准步骤S5中获得的器件特征结构，以获得器件特征结构的最优结果；

S7、结合步骤S4中SiC功率MOSFET器件结构的最优结果和步骤S6中TCAD仿真获得的最优结果，确定出SiC功率MOSFET中最优的器件结构特征参数。

进一步地，所述步骤S1中器件结构为平面型垂直双扩散N沟道SiC功率MOSFET，包括电极、栅极氧化物和外延层，其中，电极包括源极、漏极和栅极，电极使用金属铝，在沉积后刻蚀制成；栅极氧化物使用干法在1300摄氏度时氧化制成，材料是二氧化硅；外延层包括P base区，漂移区，源区、JFET区。

进一步地，所述步骤S1中各个特征参数包括几何特征参数和掺杂浓度，所述几何特征参数包括栅氧厚度、导电沟道长度、元胞宽度、漂移区厚度、JFET区宽度、JFET区长度，所述掺杂浓度包括漂移区掺杂浓度和JFET区掺杂浓度。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

推导漂移区掺杂浓度和漂移区厚度与漂移区导通电阻之间的关系；

推导JFET区几何尺寸、掺杂浓度和其它特征参数与JFET区导通电阻之间的关系；

推导沟道长度和其它特征参数与沟道导通电阻之间的关系；

推导部分特征参数与反型层导通电阻之间的关系。

进一步地，所述漂移区导通电阻与部分特征参数之间的关系为：

其中，R

进一步地，所述JFET区导通电阻与部分特征参数之间的关系为：

其中，ρ

进一步地，所述导电沟道电阻与部分特征参数之间的关系为：

其中，L

进一步地，所述反型层电阻与部分特征参数之间的关系为：

其中，α为电流流入反型层的过程中产生的损耗占总电流的比例，μ

进一步地，所述步骤S2中击穿电压与部分特征参数之间的关系为：

其中，BV为器件击穿电压，E

进一步地，所述步骤S3具体是根据工艺限制确定沟道载流子迁移率大小、JFET区宽度限制和沟道长度的限制，所述步骤S3中栅极氧化物临界击穿场强具体为：

其中，E

所述步骤S3中器件的导通电阻具体为：

R

其中，R

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明首先构建SiC功率MOSFET导通电阻的模型；之后理论分析击穿电压与特征参数和导通电阻与特征参数之间关系的模型；再根据工艺限制、栅极氧化物临界击穿场强、分析校准理论分析得到的模型；一方面通过多目标优化粒子群算法对击穿电压和导通电阻进行优化、针对特定的需求进行筛选；另一方面构建TCAD模型验证获得的器件特征结构；最后校准器件结构，获得SiC功率MOSFET中最优的器件结构特征参数。由此基于理论推导建立关于器件特征参数的电阻模型和电压构成模型，并通过多目标优化粒子群算法对模型进行优化的设置，从而能够得到最优的器件结构设计，使得SiC功率MOSFET器件在获得最大击穿电压的同时获得最小导通电阻，有效缓解SiC功率MOSFET击穿电压与导通电阻之间的矛盾，能够高效设计出不同击穿电压下导通电阻最低的功率MOSFET。

本发明采用多目标优化粒子群算法，对击穿电压和导通电阻进行优化，获得平面型垂直双扩散N沟道SiC功率MOSFET器件结构最优结果的Pareto前沿，能够在短时间能快速找到合适需求的器件结构设计，应用范围广、应用效率高。

本发明在粒子群多目标优化后继续进行TCAD有限元仿真的验证与校准，并仿真验证了提取的解的对应特征参数的器件结构，因此得到的这种器件结构的设计方法结果准确性高，适配范围大。

附图说明

图1为为本发明方法的流程图；

图2为实施例一中SiC功率MOSFET器件的结构示意图；

图3为实施例一中SiC功率MOSFET器件的剖视图；

图4为实施例一中通过多目标粒子群优化算法得出Pareto最优解的示意图；

图5为实施例三中电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例一

如图1所示，一种SiC功率MOSFET器件结构的优化设计方法，包括以下步骤：

S1、构建SiC功率MOSFET导通电阻的模型，确定导电路径上各个部分的导通电阻的大小与器件结构和各个特征参数之间的关系；其中，所述器件结构为平面型垂直双扩散N沟道SiC功率MOSFET，所述各个特征参数包括几何特征参数和掺杂浓度，几何特征参数包括栅氧厚度、导电沟道长度、元胞宽度、漂移区厚度、JFET区宽度和JFET区长度，掺杂浓度则包括漂移区掺杂浓度和JFET区掺杂浓度；

S2、基于理论分析，分别获得击穿电压与特征参数之间关系、导通电阻与特征参数之间关系的模型与公式；

在进行理论分析之前，需要推导漂移区掺杂浓度和漂移区厚度与漂移区导通电阻之间的关系；

推导JFET区几何尺寸、掺杂浓度和其它特征参数与JFET区导通电阻之间的关系；

推导沟道长度和其它特征参数与沟道导通电阻之间的关系；

推导部分特征参数与反型层导通电阻之间的关系；

S3、根据工艺限制、栅极氧化物临界击穿场强，分析校准步骤S2得到的模型与公式，并加以限制，限制后确定器件的导通电阻；

具体是根据工艺限制确定沟道载流子迁移率大小、JFET区宽度限制和沟道长度的限制；

S4、通过多目标优化粒子群算法，对击穿电压和导通电阻进行优化，获得平面型垂直双扩散N沟道SiC功率MOSFET器件结构最优结果的Pareto前沿；

在判断判断多目标粒子群优化算法的解是否可行前，还包括以下步骤：

通过栅极氧化物下方电场强度判断解是否可行；

通过判断各个特征参数是否能在现有的工艺下实现的可行性；

S5、针对特定的需求，筛选步骤S4中获得的对应特征参数、击穿电压和导通电阻；

S6、构建TCAD模型，验证并校准步骤S5中获得的器件特征结构，并获得器件特征结构的最优结果；

过有限元仿真，对多目标粒子群算法优化获得的器件特征结构进行比较，在准确性低于预设的阈值时，通过有限元仿真实验进行优化校准；

S7、结合步骤S4中SiC功率MOSFET器件结构的最优结果和步骤S6中TCAD仿真获得的最优结果，获得SiC功率MOSFET中最优的器件结构特征参数。

本实施例应用上述技术方案，首先第一步构建SiC功率MOSFET器件，确定SiC功率MOSFET器件的结构。其中，SiC功率MOSFET器件的结构如图2及图3所示，其包括电极、栅极氧化物和外延层。其中，电极包括源极、漏极和栅极，电极使用金属铝，在沉积后刻蚀制成；栅极氧化物使用干法在1300摄氏度时氧化制成，材料是二氧化硅。外延层包括P base区，漂移区，源区、JFET区。

而上述的特征参数则包括各区域的几何尺寸和各个区域的掺杂浓度。

之后第二步基于理论推导获得关于器件导通电阻的模型和击穿电压的模型。

本实施例中，SiC功率MOSFET器件的特征参数指的是上述几何特征参数中的导电沟道长度、元胞宽度、漂移区厚度、JFET区宽度和JFET区长度，掺杂浓度包括漂移区掺杂浓度和JFET区掺杂浓度。获得的导通电阻与器件特征参数的关系通过公式R

1、漂移区导通电阻与部分特征参数之间的关系为：

2、JFET区导通电阻与部分特征参数之间的关系为：

3、导电沟道电阻与部分特征参数之间的关系为：

4、反型层电阻与部分特征参数之间的关系为：

获得的击穿电压与器件特征参数的关系通过公式

在第三步中，受自对准工艺发展限制，沟道长度和JFET区宽度最小值分别被设置为0.4微米和0.8微米。沟道迁移率受器件栅极氧化物质量限制，设置为20cm2/V·s。通过公式

在第四步中，根据第一步中构建好的SiC功率MOSFET器件和第二步中获得的SiC功率MOSFET器件击穿电压和导通电阻与特征参数之间的关系，使用多目标粒子群优化算法，确定可行域中器件的特征参数，并计算获得多目标优化问题的解的前沿分布。本实施例通过多目标粒子群优化算法得出Pareto最优解的示意图，如图4所示。

在第五步中，针对特定的需求，本实施例以典型击穿电压800和1700V为需求，提取器件的特征参数和导通电阻。其中，击穿电压为800和1700V的器件导通电阻分别为1.17and1.92mΩ×cm

在第六步构建TCAD仿真模型，以仿真验证第五步中器件结构的正确性。

最后在第七步中，结合多目标优化粒子群算法的优化结果和和TCAD仿真中的验证结果，确定多目标优化粒子群优化算法得到的结果准确性高，因此本实施例中不需要重新校准。

实施例二

本实施例是基于实施例一公开的方法所获得的SiC功率MOSFET器件结构。

实施例三

本实施例提供一种电子设备，包括存储有可执行程序代码的存储器以及与存储器耦合的处理器；其中，处理器调用存储器中存储的可执行程序代码，执行如实施例一所述的方法过程。

实施例四

本实施例提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如实施例一所述的方法步骤。