L’objectiu principal de la Tesi Doctoral és augmentar la fiabilitat dels transistors
MOS de potència d’alta capacitat en tensió (600 V) basats en el concepte Super-Unió
quan aquests components es sotmeten a les condicions més extremes en convertidors
DC/DC i circuits reguladors del factor de potència, on el seu díode intrínsec ha
d’absorbir una gran quantitat d’energia en molt poc temps. La Tesi s’ha realitzat en el
marc d’una col·laboració entre l’Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNMCSIC)
i ON Semiconductor (Oudenaarde, Bèlgica).
El procés tecnològic dels nous transistors MOS de potència tipus Super-Unió
dissenyats a ON Semiconductor (anomenats UltiMOS) ha estat optimitzat per tal
d’incrementar-ne la seva robustesa, independentment del balanç de càrrega que existeixi
al dispositiu. Els transistors són per aplicacions de 400 V de línia que requereixen una
capacitat en tensió superior a 600 V i una resistència en conducció mínima per operar a
alta freqüència. La tesis comença amb una introducció de l’estat de l’art dels transistors
MOS dispositius Super-Unió, incloent-hi la tecnologia emprada pels competidors. A
continuació es descriuen els paràmetres elèctrics i tecnològics de l’estructura i la seva
repercussió en el comportament elèctric.
El gruix de la recerca es centra en l’estudi de la física involucrada en els
mecanismes de fallida a partir de simulacions TCAD i amb mesures experimentals d’on
es conclou que és necessari aportar una solució tecnològica per tal d’augmentar la
capacitat energètica dels transistors UltiMOS per obtenir una finestra prou àmplia del
balanç de càrrega que en garanteixi la seva industrialització. Per dur a terme l’estudi de
fiabilitat s’han fabricat a la Sala Blanca de ON Semiconductor diferents dispositius
derivats del transistor UltiMOS (Transistors MOS convencionals amb porta en trinxera,
Díodes Super-Unió i Transistors Bipolars Super-Unió). Tots els resultats derivats de
mesures amb tècniques complementàries (Unclamped Inductive Switching, Emission
Microscopy, Thermal Infrared Thermography, Transmission Line Pulse, Transient
Interferometric Mapping, etc.), apunten en el mateix sentit: el corrent es focalitza en
certes àrees del dispositiu, afavorint l’activació del transistor bipolar paràsit inherent a
la pròpia estructura UltiMOS. S’han proposat dues solucions per augmentar la robustesa
que, un cop demostrada la seva eficàcia, s’han incorporat al procés tecnològic definitiu
que durà a la producció massiva dels components. / The main objective of the thesis is the reliability increase of high voltage (600
V) power MOSFETS based in the Super Junction concept when they are submitted to
the most extreme conditions in DC/DC converters and Factor Power Correction circuits
and the intrinsic body diode has to handle a big amount of energy in a very short period
of time. The research has been carried out in the framework of a collaboration between
Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC) and ON Semiconductor
(Oudenaarde, Bèlgica).
The process technology of the new Super Junction power MOSFET transistors
designed in ON Semiconductor (named UltiMOS) has been optimized with the aim of
robustness enhancement, which has to be totally independent of the charge balance in
the device. The transistors are destined to 400 V line applications that require a voltage
capability above 600 V and a minimal on-state resistance to operate at high frequency.
The thesis starts with an introduction to the state of the art of Super Junction transistors,
including a description of the different process technologies used in the commercial
counterparts. Afterwards, the most relevant electrical and technological parameters are
introduced and linked to the electrical characterization of the UltiMOS transistor.
The research is centered in the study of the physics involved in the failure
mechanisms combining TCAD simulations and experimental measurements, from
where it is concluded that a technological solution to increase the energy capability of
UltiMOS transistors is needed, with a wide CB manufacturability window. Different
devices derived from the UltiMOS structure (conventional UMOS transistor, SJ Diodes
and SJ Bipolar transistors) were fabricated in the ON Semiconductor’s Clean Room and
tested under the same avalanche conditions as UltiMOS transistors. All the results
derived from complementary techniques (Unclamped Inductive Switching, Emission
Microscopy, Thermal Infrared Thermography, Transmission Line Pulse, Transient
Interferometric Mapping, etc.) lead to the same conclusion: the current is focalized at a
certain region of the UltiMOS transistor, enhancing the activation of the parasitic
bipolar transistor. Two approaches are proposed to increase the energy capability of
UltiMOS transistors and, once its efficiency has been demonstrated, they have been
included on the process technology of the device designed to go into production.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/131409 |
| Date | 10 July 2013 |
| Creators | Villamor Baliarda, Ana |
| Contributors | Flores Gual, David, Moens, Peter, Roig Guitart, Jaume, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Enginyeria Electrònica |
| Publisher | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Source Sets | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 191 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.1041 seconds