基於長寬比優化的三維高k超結MOSFETs之泰勒建模與比較研究

核心概念

本文提出了一種針對三維高k超結MOSFETs進行長寬比優化設計的泰勒建模方法，並與其他超結結構進行了比較分析，為器件製造提供了結構選擇指導。

摘要

論文概述
本論文旨在探討三維高k超結金屬氧化物半導體場效電晶體 (3D Hk-SJ MOSFETs) 的設計優化，特別關注於長寬比對器件性能的影響。作者提出了一種基於泰勒建模的分析方法，用於模擬和優化 3D Hk-SJ MOSFETs 的關鍵參數，例如導通電阻 (Ron,sp) 和崩潰電壓 (BV)。
研究方法

泰勒建模: 作者採用泰勒級數展開的方法，推導出 3D Hk-SJ MOSFETs 中電場分佈的解析模型，克服了傳統貝索函數方法計算量大的缺點。
比較分析: 論文對比分析了四種不同的超結結構：三維傳統超結 (3D C-SJ)、二維高k超結 (2DHk)、兩種不同構型的三維高k超結 (3DHkcase1 和 3DHkcase2)，比較指標包括電場分佈、碰撞電離積分、長寬比優化、電荷不平衡效應和溫度特性。
數值模擬: 作者使用 MEDICI 軟體進行了數值模擬，驗證了泰勒建模方法的準確性，並分析了不同超結結構的電學特性。
主要發現

長寬比優化: 對於給定的崩潰電壓，增加長寬比 (即減小 N 區寬度) 可以有效降低導通電阻。
結構比較: 3D C-SJ 結構在相同條件下具有最低的導通電阻，但對電荷不平衡效應最為敏感。3DHkcase1 結構具有較高的崩潰電壓，但導通電阻較高，且對溫度變化敏感。3DHkcase2 結構在導通電阻、開關特性和溫度穩定性方面表現出較好的綜合性能。
製造指導: 論文根據不同結構的優缺點，繪製了導通電阻與長寬比、崩潰電壓之間的關係曲線，為器件製造提供了結構選擇指導。
研究結論
本論文提出了一種高效準確的 3D Hk-SJ MOSFETs 建模和優化方法，並通過與其他超結結構的比較分析，揭示了不同結構的優缺點，為高性能功率器件的設計和製造提供了理論依據和實踐指導。

統計資料

使用泰勒建模方法，在崩潰電壓為 800 V、介電常數 K 為 100 的條件下，3DHkcase2 結構的導通電阻可優化至 4.156 mΩ·cm2。
在崩潰電壓為 800 V、介電常數 K 為 50 的條件下，3D C-SJ 結構可優化出最小的導通電阻，為 3.488 mΩ·cm2。
3DHkcase2 結構的導通電阻比 3DHkcase1 和 2DHk 分別降低了 120% 和 26%。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Taylor Modeling and Comparative Research Containing Aspect-Ratio Dependent Optimization of Three-Dimensional Hk Superjunction MOSFETs

by Zhentao Xiao... 於 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13448.pdf

深入探究

未來如何將這種泰勒建模方法應用於更複雜的三維半導體器件結構？

將泰勒建模方法應用於更複雜的三維半導體器件結構，需要克服以下幾個挑戰：

複雜邊界條件的處理: 更複雜的結構意味著更複雜的邊界條件。泰勒展開需要在特定點進行，對於複雜結構，如何選擇合適的展開點以及如何準確描述邊界條件是需要解決的問題。可以考慮結合數值方法，例如有限元法，對邊界進行更精確的描述，並與泰勒方法結合使用。
高階項的處理: 對於非線性問題或幾何形狀複雜的結構，僅保留泰勒展開的低階項可能無法滿足精度要求。需要研究如何有效地截斷高階項或開發更高效的高階泰勒展開方法。
計算效率的提升: 隨著器件結構複雜度的增加，計算量也會急劇增加。可以考慮利用模型的對稱性、降維技術、并行计算等方法來提高計算效率。

總之，將泰勒建模方法應用於更複雜的三維半導體器件結構需要不斷發展和完善，將其與其他數值方法結合，並開發更高效的算法是未來的研究方向。

如果考慮成本因素，哪種超結結構更具商業化應用前景？

考慮到成本因素，2DHk（二维高k超结）结构在商业化应用中更具前景。

工艺成熟度: 相比于3D结构，2DHk工艺更为成熟，制造难度和成本相对较低。
性能均衡: 虽然3D C-SJ（三维传统超结）在特定条件下可以获得最低的 Ron,sp (opt) ，但其对N区偏差非常敏感，良率难以控制，增加了制造成本。而3DHk结构虽然在性能上优于2DHk，但其工艺复杂度和制造成本较高，短期内难以大规模应用。2DHk结构在性能和成本之间取得了较好的平衡。
当然，随着工艺技术的进步和市场需求的变化，3D超结结构，特别是3DHk结构，在未来也具有很大的发展潜力。

這項研究成果對於推動功率電子器件的小型化和高性能化有何意義？

这项研究成果对于推动功率电子器件的小型化和高性能化具有重要意义：

突破"硅极限"，提升器件性能: 传统功率器件受限于"硅极限"，难以同时实现低导通电阻 (Ron,sp) 和高击穿电压 (BV)。而超结结构通过电场调控，可以有效突破"硅极限"，实现更低的 Ron,sp 和更高的 BV，从而提升功率器件的整体性能。
优化设计，实现器件小型化: 该研究提出的泰勒建模方法可以快速准确地评估不同超结结构的性能，并进行结构参数的优化设计，在保证器件性能的前提下，减小器件尺寸，实现小型化。
指导制造，降低制造成本: 该研究对不同超结结构进行了全面的比较分析，并提供了边界曲线公式，可以根据实际需求选择合适的超结结构，指导制造，提高良率，降低制造成本。
总而言之，这项研究成果为功率电子器件的小型化和高性能化提供了重要的理论依据和技术支持，将推动功率电子器件向着更高效、更可靠、更低成本的方向发展。