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JP2015191379A - simulation method - Google Patents

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JP2015191379A
JP2015191379A JP2014067230A JP2014067230A JP2015191379A JP 2015191379 A JP2015191379 A JP 2015191379A JP 2014067230 A JP2014067230 A JP 2014067230A JP 2014067230 A JP2014067230 A JP 2014067230A JP 2015191379 A JP2015191379 A JP 2015191379A
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JP
Japan
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function
coefficient
electrode terminal
semiconductor device
voltage
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JP2014067230A
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Japanese (ja)
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山本 哲也
Tetsuya Yamamoto
哲也 山本
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simulation method capable of simulating electrical characteristics of a vertical semiconductor device with high accuracy.SOLUTION: The simulation method is a method of simulating electrical characteristics of a vertical semiconductor device including a drain electrode terminal and a source electrode terminal. The simulation method includes a step to simulate the electrical characteristics of the vertical semiconductor device by using a first function representing a forward current which flows from the drain electrode terminal to the source electrode terminal relevant to an inter-terminal voltage applied across the drain electrode terminal and the source electrode terminal and a second function representing a reverse current which flows from the source electrode terminal and the drain electrode terminal relevant to an inter-terminal voltage. The first function and the second function have a relationship of a reverse function.

Description

本発明は、シミュレーション方法などに関する。   The present invention relates to a simulation method and the like.

一般に、インバータ及びコンバータなどのパワーエレクトロニクス装置の開発においては、回路構成をシミュレーションで解析し、回路構成を試作評価で検証することが行われている。例えば、半導体集積回路のSPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)モデルなどを用いた回路シミュレーションと同様に、従来のシミュレーションでは、様々なデバイスモデルを利用する。具体的には、ダイオード、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワー半導体デバイスの電気特性を模擬的に算出するデバイスモデルを利用する。   In general, in the development of power electronics devices such as inverters and converters, the circuit configuration is analyzed by simulation, and the circuit configuration is verified by trial evaluation. For example, similar to a circuit simulation using a SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) model of a semiconductor integrated circuit, various device models are used in the conventional simulation. Specifically, a device model that simulates the electrical characteristics of a power semiconductor device such as a diode, a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is used.

インバータなどのパワーエレクトロニクス回路に使用されるパワーデバイスは、従来の半導体集積回路で使用される信号処理用の「横型」の構造とは異なり、高耐圧(数十V以上)、高電流に対応した「縦型」の構造である。このため、一般の回路シミュレーションに標準的に搭載されている信号処理用モデル(MOSFET SPICEモデル Level 1−3)において、パラメータを修正したのみでは、精度が低く、回路の効率(損失)を回路シミュレーションにより検討することは困難である。   Power devices used in power electronics circuits such as inverters are compatible with high withstand voltage (several tens of volts) and high current, unlike the “horizontal” structure for signal processing used in conventional semiconductor integrated circuits. It is a “vertical” structure. For this reason, in the signal processing model (MOSFET SPICE model Level 1-3) that is standardly installed in general circuit simulation, the accuracy is low only by correcting the parameters, and the circuit efficiency (loss) is simulated by the circuit simulation. It is difficult to consider.

これに対し、例えば、特許文献1及び2には、「縦型」のパワーデバイス(縦型半導体デバイス)の特徴を反映したデバイスモデルが提案されている。具体的には、電極端子間の寄生容量、P型注入層とN型ドリフト層との間に形成されるPNダイオード(ボディダイオード)、耐圧確保のために形成されたN型ドリフト層の抵抗などを、従来のデバイスモデルにサブサーキットとして追加している。   On the other hand, for example, Patent Documents 1 and 2 propose device models that reflect the characteristics of “vertical” power devices (vertical semiconductor devices). Specifically, parasitic capacitance between electrode terminals, PN diode (body diode) formed between a P-type injection layer and an N-type drift layer, resistance of an N-type drift layer formed to ensure a breakdown voltage, etc. Is added as a subcircuit to the conventional device model.

特許第5069711号公報Japanese Patent No. 5069711 特許第5117926号公報Japanese Patent No. 5117926

しかしながら、上記従来技術では、縦型半導体デバイスの電気特性を高精度で模擬(シミュレート)することができないという課題がある。例えば、特許文献1及び2に記載の技術では、逆方向の電流電圧特性を精度良く模擬することができない。   However, the above-described prior art has a problem that the electrical characteristics of the vertical semiconductor device cannot be simulated (simulated) with high accuracy. For example, the techniques described in Patent Documents 1 and 2 cannot accurately simulate the reverse current-voltage characteristics.

そこで、本発明は、縦型半導体デバイスの電気特性を高精度で模擬することができるシミュレーション方法を提供する。   Therefore, the present invention provides a simulation method that can simulate the electrical characteristics of a vertical semiconductor device with high accuracy.

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るシミュレーション方法は、第1電極端子及び第2電極端子を備える縦型半導体デバイスの電気特性を模擬するシミュレーション方法であって、前記第1電極端子と前記第2電極端子との間に印加される端子間電圧に対する、前記第1電極端子から前記第2電極端子に流れる第1電流を表す第1関数と、前記端子間電圧に対する、前記第2電極端子から前記第1電極端子に流れる第2電流を表す第2関数とを用いて、前記縦型半導体デバイスの電気特性を模擬するステップを含み、前記第1関数と前記第2関数とは、逆関数型の関係を有する。   In order to solve the above problem, a simulation method according to an aspect of the present invention is a simulation method for simulating electrical characteristics of a vertical semiconductor device including a first electrode terminal and a second electrode terminal, and the first electrode terminal A first function representing a first current flowing from the first electrode terminal to the second electrode terminal with respect to an inter-terminal voltage applied between the first electrode terminal and the second electrode terminal, and the second function with respect to the inter-terminal voltage. Using the second function representing the second current flowing from the electrode terminal to the first electrode terminal, and simulating the electrical characteristics of the vertical semiconductor device, wherein the first function and the second function are: It has an inverse function type relationship.

なお、これらの包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能なCD−ROMなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意の組み合わせで実現されてもよい。   These comprehensive or specific modes may be realized by a system, a method, an integrated circuit, a computer program, or a recording medium such as a computer-readable CD-ROM. The system, method, integrated circuit, computer program And any combination of recording media.

本発明によれば、縦型半導体デバイスの電気特性を高精度で模擬することができる。   According to the present invention, the electrical characteristics of a vertical semiconductor device can be simulated with high accuracy.

従来の縦型半導体デバイスの回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the conventional vertical semiconductor device. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスのデバイスモデルの電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the device model of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの順方向の電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the forward direction of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの逆方向の電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the reverse direction of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの逆方向の電流電圧特性を対数表示で示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the reverse direction of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment by logarithm display. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの逆方向の電流電圧特性において別のデバイスモデルとの比較結果を示す図である。It is a figure which shows the comparison result with another device model in the current-voltage characteristic of the reverse direction of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの逆方向の電流電圧特性において別のデバイスモデルとの比較結果を示す図である。It is a figure which shows the comparison result with another device model in the current-voltage characteristic of the reverse direction of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係るシミュレーション装置の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function structure of the simulation apparatus which concerns on embodiment. 実施の形態に係るシミュレーション方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the simulation method which concerns on embodiment. 実施の形態に係るシミュレーション方法において各係数を決定する処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process which determines each coefficient in the simulation method which concerns on embodiment. 実施の形態に係るシミュレーション方法において各係数を決定する処理を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the process which determines each coefficient in the simulation method which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの温度T=−50度のときの電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic when temperature T = -50 degree of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの温度T=25度のときの電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic in case temperature T = 25 degree | times of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの温度T=75度のときの電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic in case temperature T = 75 degree | times of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの温度T=125度のときの電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic when temperature T = 125 degree | times of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る別の縦型半導体デバイスの電流電圧特性の実測値を示す図である。It is a figure which shows the actual value of the current-voltage characteristic of another vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る別の縦型半導体デバイスの電流電圧特性の実測値を示す図である。It is a figure which shows the actual value of the current-voltage characteristic of another vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る別の縦型半導体デバイスの順方向の電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the forward direction of another vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る別の縦型半導体デバイスの逆方向の電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the reverse direction of another vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの端子間容量のドレイン−ソース間の端子間電圧に対する依存性を示す図である。It is a figure which shows the dependence with respect to the voltage between terminals of the drain-source of the capacity | capacitance between terminals of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスのスイッチング特性(ターンオン)を示す図である。It is a figure which shows the switching characteristic (turn-on) of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスのスイッチング特性(ターンオフ)を示す図である。It is a figure which shows the switching characteristic (turn-off) of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係る縦型半導体デバイスの逆方向電流の逆回復特性を示す図である。It is a figure which shows the reverse recovery characteristic of the reverse current of the vertical semiconductor device which concerns on embodiment.

(本発明の基礎となった知見)
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した従来のシミュレーション方法に関し、以下の問題が生じることを見出した。
(Knowledge that became the basis of the present invention)
The present inventor has found that the following problems occur with respect to the conventional simulation method described in the “Background Art” column.

上記従来のシミュレーション方法では、ドレイン−ソース間に逆バイアス状態で流れる逆方向電流は、ボディダイオードに流れる電流によるものとしてモデル化している。つまり、従来のシミュレーション方法における縦型半導体デバイスの等価回路は、図1に示すように、ドレイン−ソース間にボディダイオードが接続された構成となる。   In the above conventional simulation method, the reverse current flowing in the reverse bias state between the drain and the source is modeled as being caused by the current flowing in the body diode. That is, the equivalent circuit of the vertical semiconductor device in the conventional simulation method has a configuration in which the body diode is connected between the drain and the source, as shown in FIG.

これに対して、近年、エピチャネル構造を有するMOSFETなどの新たなパワーデバイス(縦型半導体デバイス)の開発が進んでいる。このような新たな縦型半導体デバイスでは、逆方向電流が必ずしもボディダイオードを流れずに、チャネルを流れる場合がある。このため、逆方向の電流電圧特性がゲート電圧依存性を示す場合がある。   On the other hand, in recent years, development of new power devices (vertical semiconductor devices) such as MOSFETs having an epichannel structure has been advanced. In such a new vertical semiconductor device, the reverse current may flow through the channel without necessarily flowing through the body diode. For this reason, the current-voltage characteristic in the reverse direction may show gate voltage dependency.

したがって、従来のシミュレーション方法では、新たな縦型半導体デバイスの逆方向電流電圧特性を精度良く模擬できないという問題がある。   Therefore, the conventional simulation method has a problem that the reverse current voltage characteristics of a new vertical semiconductor device cannot be accurately simulated.

このような問題を解決するために、本発明の一態様に係るシミュレーション方法は、第1電極端子及び第2電極端子を備える縦型半導体デバイスの電気特性を模擬するシミュレーション方法であって、前記第1電極端子と前記第2電極端子との間に印加される端子間電圧に対する、前記第1電極端子から前記第2電極端子に流れる第1電流を表す第1関数と、前記端子間電圧に対する、前記第2電極端子から前記第1電極端子に流れる第2電流を表す第2関数とを用いて、前記縦型半導体デバイスの電気特性を模擬するステップを含み、前記第1関数と前記第2関数とは、逆関数型の関係を有する。   In order to solve such a problem, a simulation method according to an aspect of the present invention is a simulation method for simulating electrical characteristics of a vertical semiconductor device including a first electrode terminal and a second electrode terminal, A first function representing a first current flowing from the first electrode terminal to the second electrode terminal with respect to an inter-terminal voltage applied between one electrode terminal and the second electrode terminal, and for the inter-terminal voltage, Using the second function representing the second current flowing from the second electrode terminal to the first electrode terminal to simulate the electrical characteristics of the vertical semiconductor device, the first function and the second function And have an inverse function type relationship.

これにより、逆関数型の関係を有する第1関数及び第2関数を用いるので、縦型半導体デバイスの電気特性を高精度で模擬することができる。例えば、逆方向の電流電圧特性を高精度で模擬することができる。   Thereby, since the first function and the second function having an inverse function type relationship are used, the electrical characteristics of the vertical semiconductor device can be simulated with high accuracy. For example, the reverse current-voltage characteristics can be simulated with high accuracy.

また、例えば、前記シミュレーション方法は、さらに、前記第1関数の第1係数と、前記第2関数の第2係数とを、前記縦型半導体デバイスの実測値に基づいて決定するステップを含み、前記模擬するステップでは、前記第1係数が決定された前記第1関数と前記第2係数が決定された前記第2関数とを用いて、前記電気特性を模擬してもよい。   For example, the simulation method further includes a step of determining a first coefficient of the first function and a second coefficient of the second function based on an actual measurement value of the vertical semiconductor device, In the step of simulating, the electrical characteristics may be simulated using the first function for which the first coefficient is determined and the second function for which the second coefficient is determined.

これにより、実測値を利用して第1係数及び第2係数を決定することで、実測値に基づいた第1関数及び第2関数を利用することができる。したがって、より高精度なシミュレーションを行うことができる。   Thereby, the first function and the second function based on the actual measurement value can be used by determining the first coefficient and the second coefficient using the actual measurement value. Therefore, a more accurate simulation can be performed.

また、例えば、前記第2関数は、前記第1関数の逆関数の係数を前記第2係数に置き換えた関数であってもよい。   For example, the second function may be a function in which a coefficient of an inverse function of the first function is replaced with the second coefficient.

これにより、順方向の電流電圧特性を示す第1関数の逆関数の係数を第2係数に置き換えた関数を第2関数として用いることで、順方向の電流電圧特性だけでなく、縦型半導体デバイスの逆方向の電流電圧特性を高精度に模擬することができる。   Thus, by using a function obtained by replacing the coefficient of the inverse function of the first function indicating the forward current-voltage characteristic with the second coefficient as the second function, not only the forward current-voltage characteristic but also the vertical semiconductor device The current-voltage characteristics in the reverse direction can be simulated with high accuracy.

また、例えば、前記縦型半導体デバイスは、さらに、制御電極端子を備え、前記第1関数及び前記第2関数は、前記制御電極端子に印加される電圧に依存する関数であってもよい。   In addition, for example, the vertical semiconductor device may further include a control electrode terminal, and the first function and the second function may be functions depending on a voltage applied to the control electrode terminal.

これにより、制御電極端子に印加される電圧に依存する電気特性を高精度に模擬することができる。   As a result, electrical characteristics depending on the voltage applied to the control electrode terminal can be simulated with high accuracy.

また、例えば、前記第1電流及び前記第2電流をIdsで表し、前記端子間電圧をVdsで表した場合に、前記第1関数は、(式A)で表され、前記第2関数は、(式B)で表され、前記(式A)の前記第1係数A、B及びC並びに前記(式B)の前記第2係数A、B及びCは、前記Vdsに依存しない値であってもよい。 For example, when the first current and the second current are represented by I ds and the terminal voltage is represented by V ds , the first function is represented by (Equation A), and the second function is represented by equation (B), the first coefficient a F, B F and C F and the second coefficient a R of the formula (B), B R and C R (formula a), the The value may not depend on V ds .

Figure 2015191379
Figure 2015191379
Figure 2015191379
Figure 2015191379

これにより、(式A)及び(式B)で表される関数を用いることで、縦型半導体デバイスの電流電圧特性を高精度に模擬することができる。   Thereby, the current-voltage characteristics of a vertical semiconductor device can be simulated with high accuracy by using the functions represented by (Expression A) and (Expression B).

また、例えば、前記第1係数及び前記第2係数は、前記制御電極端子と前記第2電極端子との間に印加される制御電圧、及び、温度に依存する第3関数で表されてもよい。   Further, for example, the first coefficient and the second coefficient may be expressed by a control voltage applied between the control electrode terminal and the second electrode terminal and a third function depending on temperature. .

これにより、制御電圧及び温度の組み合わせ毎に測定した実測値を用いて各係数を決定することができる。   Thereby, each coefficient can be determined using the measured value measured for every combination of control voltage and temperature.

また、例えば、前記第3関数の変数は、前記制御電圧であり、前記第3関数の第3係数は、前記温度を変数とする第4関数で表され、前記第1係数及び前記第2係数を決定するステップでは、前記第4関数の第4係数を決定することで、前記第1係数及び前記第2係数を決定してもよい。   Further, for example, the variable of the third function is the control voltage, and the third coefficient of the third function is represented by a fourth function having the temperature as a variable, and the first coefficient and the second coefficient In the determining step, the first coefficient and the second coefficient may be determined by determining a fourth coefficient of the fourth function.

これにより、制御電圧及び温度の組み合わせ毎に測定した実測値を用いて各係数を決定することができる。   Thereby, each coefficient can be determined using the measured value measured for every combination of control voltage and temperature.

また、例えば、前記第1係数及び第2係数を決定するステップでは、(i)前記第1関数及び前記第2関数を前記実測値にフィッティングすることで、前記制御電圧毎に前記第1係数及び前記第2係数を決定するステップと、(ii)前記第3関数を、前記制御電圧毎に決定された第1係数及び第2係数にフィッティングすることで、前記第3係数を決定するステップとを、前記温度毎に実行することで、前記温度毎に前記第3係数を決定し、前記第4関数を、前記温度毎に決定された第3係数にフィッティングすることで、前記第4係数を決定してもよい。   In addition, for example, in the step of determining the first coefficient and the second coefficient, (i) fitting the first function and the second function to the actual measurement value so that the first coefficient and the second coefficient are determined for each control voltage. Determining the second coefficient; and (ii) determining the third coefficient by fitting the third function to the first coefficient and the second coefficient determined for each control voltage. The third coefficient is determined for each temperature by executing for each temperature, and the fourth coefficient is determined by fitting the fourth function to the third coefficient determined for each temperature. May be.

これにより、例えば、最小二乗法を用いたフィッティングにより容易に各係数を決定することができる。   Thereby, for example, each coefficient can be easily determined by fitting using the least square method.

なお、これらの包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能なCD−ROMなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意の組み合わせで実現されてもよい。   These comprehensive or specific modes may be realized by a system, a method, an integrated circuit, a computer program, or a recording medium such as a computer-readable CD-ROM. The system, method, integrated circuit, computer program And any combination of recording media.

以下では、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。   Hereinafter, embodiments will be specifically described with reference to the drawings.

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。   It should be noted that each of the embodiments described below shows a comprehensive or specific example. The numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement positions and connecting forms of the constituent elements, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples and are not intended to limit the present invention. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept are described as optional constituent elements.

(実施の形態)
[1.縦型半導体デバイスの構成]
まず、本実施の形態に係るシミュレーション方法によるシミュレーションの対象となる縦型半導体デバイスについて、図2A及び図2Bを用いて説明する。図2Aは、本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10の構成を示す概略断面図である。図2Bは、本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10の回路構成を示す図である。
(Embodiment)
[1. Configuration of vertical semiconductor device]
First, a vertical semiconductor device to be simulated by the simulation method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the vertical semiconductor device 10 according to the present embodiment. FIG. 2B is a diagram showing a circuit configuration of the vertical semiconductor device 10 according to the present embodiment.

[1−1.縦型半導体デバイスの断面構成]
本実施の形態に係る「縦型」の半導体デバイスは、2つ以上の電極を備える。2つ以上の電極の少なくとも1つは、他の電極とは異なる面に設けられる。例えば、「縦型」の半導体デバイスの一例であるMOSFETは、ソース電極とゲート電極とが同一の面に設けられ、ドレイン電極が他の面に設けられる。つまり、「縦型」のMOSFETでは、ドレイン電極が、基板を挟んでソース電極とゲート電極と対向するように設けられて、各半導体層の積層方向にドレイン電流(ドレイン−ソース間電流)が流れる。
[1-1. Cross-sectional configuration of vertical semiconductor device]
The “vertical” semiconductor device according to the present embodiment includes two or more electrodes. At least one of the two or more electrodes is provided on a different surface from the other electrodes. For example, in a MOSFET that is an example of a “vertical” semiconductor device, a source electrode and a gate electrode are provided on the same surface, and a drain electrode is provided on the other surface. That is, in the “vertical type” MOSFET, the drain electrode is provided so as to face the source electrode and the gate electrode across the substrate, and a drain current (drain-source current) flows in the stacking direction of each semiconductor layer. .

本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10は、パワーデバイスの一例であり、例えば、炭化ケイ素(SiC)を用いて構成されるMOSFETである。図2Aに示すように、縦型半導体デバイス10は、基板11と、ドリフト層12と、ウェル領域13と、ソース領域14と、ドレイン電極15と、ソース電極16と、ゲート電極17と、ゲート絶縁膜18とを備える。   The vertical semiconductor device 10 according to the present embodiment is an example of a power device, and is, for example, a MOSFET configured using silicon carbide (SiC). As shown in FIG. 2A, the vertical semiconductor device 10 includes a substrate 11, a drift layer 12, a well region 13, a source region 14, a drain electrode 15, a source electrode 16, a gate electrode 17, and gate insulation. And a membrane 18.

基板11は、例えば、n型SiC基板である。ドリフト層12は、基板11上に設けられた半導体層であり、例えば、n型SiC層である。なお、「n」及び「n」などの上付き文字(「+」及び「−」)は、相対的な不純物の濃度の大小関係を示している。 The substrate 11 is, for example, an n + type SiC substrate. The drift layer 12 is a semiconductor layer provided on the substrate 11, and is, for example, an n type SiC layer. Note that superscripts (“+” and “−”) such as “n + ” and “n ” indicate relative impurity concentration relationships.

ウェル領域13は、ドリフト層12内に形成されたp型の半導体領域である。ソース領域14は、ウェル領域13内に形成されたn型の半導体領域である。 The well region 13 is a p-type semiconductor region formed in the drift layer 12. The source region 14 is an n + type semiconductor region formed in the well region 13.

ドレイン電極15は、基板11の裏面に形成されている。   The drain electrode 15 is formed on the back surface of the substrate 11.

ソース電極16は、ウェル領域13の表面(p型コンタクト領域)と、ソース領域14とに接するように形成されている。   The source electrode 16 is formed so as to contact the surface of the well region 13 (p-type contact region) and the source region 14.

ゲート電極17は、ドリフト層12、ウェル領域13及びソース領域14に接するように形成されたゲート絶縁膜18上に形成されている。ゲート絶縁膜18は、例えば、シリコン酸化膜などの絶縁膜である。ドレイン電極15、ソース電極16及びゲート電極17は、例えば、アルミニウムなどの金属電極である。   The gate electrode 17 is formed on the gate insulating film 18 formed so as to be in contact with the drift layer 12, the well region 13, and the source region 14. The gate insulating film 18 is an insulating film such as a silicon oxide film, for example. The drain electrode 15, the source electrode 16, and the gate electrode 17 are metal electrodes, such as aluminum, for example.

なお、図2Aに示す縦型半導体デバイス10は一例を示したに過ぎず、材料などは上述したものに限らない。例えば、SiCではなく、シリコン(Si)、窒化ガリウム(GaN)などを用いてもよい。また、p型及びn型は、相互に入れ替わってもよい。   Note that the vertical semiconductor device 10 shown in FIG. 2A is merely an example, and the materials and the like are not limited to those described above. For example, instead of SiC, silicon (Si), gallium nitride (GaN), or the like may be used. Further, the p-type and n-type may be interchanged.

[1−2.縦型半導体デバイスの回路構成]
図2Aに示す縦型半導体デバイス10は、図2Bに示すように、双方向電流源20と、可変容量21〜23とで表すことができる。
[1-2. Circuit configuration of vertical semiconductor device]
The vertical semiconductor device 10 shown in FIG. 2A can be represented by a bidirectional current source 20 and variable capacitors 21 to 23 as shown in FIG. 2B.

双方向電流源20は、ドレイン電極端子Dと、ソース電極端子Sと、ゲート電極端子Gとを備える。ドレイン電極端子Dは、第1電極端子の一例であり、図2Aに示すドレイン電極15に相当する。ソース電極端子Sは、第2電極端子の一例であり、図2Aに示すソース電極16に相当する。ゲート電極端子Gは、制御電極端子の一例であり、図2Aに示すゲート電極17に相当する。双方向電流源20は、ドレイン電極端子Dとソース電極端子Sとの間に印加される端子間電圧に応じた電流を出力する。   The bidirectional current source 20 includes a drain electrode terminal D, a source electrode terminal S, and a gate electrode terminal G. The drain electrode terminal D is an example of a first electrode terminal and corresponds to the drain electrode 15 shown in FIG. 2A. The source electrode terminal S is an example of a second electrode terminal and corresponds to the source electrode 16 shown in FIG. 2A. The gate electrode terminal G is an example of a control electrode terminal, and corresponds to the gate electrode 17 shown in FIG. 2A. The bidirectional current source 20 outputs a current corresponding to the inter-terminal voltage applied between the drain electrode terminal D and the source electrode terminal S.

可変容量21は、ドレイン電極端子Dとソース電極端子Sとの間に接続された可変容量である。可変容量21の静電容量Cdsは、ドレイン電極端子Dとソース電極端子Sとの間に印加される端子間電圧Vdsによって変化する。 The variable capacitor 21 is a variable capacitor connected between the drain electrode terminal D and the source electrode terminal S. The capacitance C ds of the variable capacitor 21 varies depending on the inter-terminal voltage V ds applied between the drain electrode terminal D and the source electrode terminal S.

可変容量22は、ドレイン電極端子Dとゲート電極端子Gとの間に接続された可変容量である。可変容量22の静電容量Cdgは、ドレイン電極端子Dとゲート電極端子Gとの間に印加される端子間電圧Vdgによって変化する。 The variable capacitor 22 is a variable capacitor connected between the drain electrode terminal D and the gate electrode terminal G. The capacitance C dg of the variable capacitor 22 varies depending on the inter-terminal voltage V dg applied between the drain electrode terminal D and the gate electrode terminal G.

可変容量23は、ゲート電極端子Gとソース電極端子Sとの間に接続された可変容量である。可変容量23の静電容量Cgsは、ゲート電極端子Gとソース電極端子Sとの間に印加される端子間電圧Vgsによって変化する。 The variable capacitor 23 is a variable capacitor connected between the gate electrode terminal G and the source electrode terminal S. The capacitance C gs of the variable capacitor 23 varies depending on the inter-terminal voltage V gs applied between the gate electrode terminal G and the source electrode terminal S.

なお、本実施の形態では、ドレイン電極端子Dからソース電極端子Sに流れる第1電流を順方向電流とし、ソース電極端子Sからドレイン電極端子Dに流れる第2電流を逆方向電流とする。つまり、順方向電流は、端子間電圧Vdsが正である場合(Vds>0)にドレイン電極端子Dからソース電極端子Sに流れるドレイン電流Ids(>0)である。逆方向電流は、端子間電圧Vdsが負である場合(Vds<0)にドレイン電極Dからソース電極端子Sに流れるドレイン電流Ids(<0)である。 In the present embodiment, the first current flowing from the drain electrode terminal D to the source electrode terminal S is a forward current, and the second current flowing from the source electrode terminal S to the drain electrode terminal D is a reverse current. That is, the forward current is the drain current I ds (> 0) that flows from the drain electrode terminal D to the source electrode terminal S when the inter-terminal voltage V ds is positive (V ds > 0). The reverse current is a drain current I ds (<0) that flows from the drain electrode D to the source electrode terminal S when the inter-terminal voltage V ds is negative (V ds <0).

[2.縦型半導体デバイスの電気特性]
続いて、本実施の形態に係るシミュレーション方法の対象となる縦型半導体デバイス10の電気特性について、図3を用いて説明する。図3は、本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10のデバイスモデルの電流電圧特性を示す図である。
[2. Electrical characteristics of vertical semiconductor devices]
Next, electrical characteristics of the vertical semiconductor device 10 that is a target of the simulation method according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing current-voltage characteristics of the device model of the vertical semiconductor device 10 according to the present embodiment.

本実施の形態では、順方向電流は第1関数で表され、逆方向電流は第2関数で表される。第1関数と第2関数とは、逆関数型の関係を有する。   In the present embodiment, the forward current is represented by a first function, and the reverse current is represented by a second function. The first function and the second function have an inverse function type relationship.

第1関数は、第1電極端子と第2電極端子との間に印加される端子間電圧に対する、第1電極端子から第2電極端子に流れる第1電流を表す関数である。具体的には、第1関数は、端子間電圧Vdsが正の場合における端子間電圧Vdsに対するドレイン電流Idsを表す。言い換えると、第1関数は、順方向電流(すなわち、Vds>0の場合のドレイン電流Ids)を、変数である端子間電圧Vdsと、第1係数とを用いて表す関数である。 The first function is a function representing a first current flowing from the first electrode terminal to the second electrode terminal with respect to the inter-terminal voltage applied between the first electrode terminal and the second electrode terminal. Specifically, the first function represents the drain current I ds with respect to the inter-terminal voltage V ds when the inter-terminal voltage V ds is positive. In other words, the first function is a function that represents the forward current (that is, the drain current I ds when V ds > 0) using the terminal voltage V ds that is a variable and the first coefficient.

具体的には、第1関数は、(式1)で表される。   Specifically, the first function is expressed by (Expression 1).

Figure 2015191379
Figure 2015191379

ここで、第1係数A、B及びCは、端子間電圧Vdsに依存しない値である。第1係数A、B及びCは、例えば、ゲート電圧Vgs及び温度Tに依存する。言い換えると、第1係数A、B及びCは、ゲート電圧Vgs及び温度Tに依存する第3関数で表される。第3関数の詳細については、後で説明する。 Here, the first coefficients A F , B F and C F are values that do not depend on the inter-terminal voltage V ds . The first coefficients A F , B F and C F depend on the gate voltage V gs and the temperature T, for example. In other words, the first coefficients A F , B F and C F are expressed by a third function depending on the gate voltage V gs and the temperature T. Details of the third function will be described later.

第2関数は、第1電極端子と第2電極端子との間に印加される端子間電圧に対する、第2電極端子から第1電極端子に流れる第2電流を表す関数である。具体的には、第2関数は、端子間電圧Vdsが負の場合における端子間電圧Vdsに対するドレイン電流Idsを表す。言い換えると、第2関数は、逆方向電流(すなわち、Vds<0の場合のドレイン電流Ids)を、変数である端子間電圧Vdsと、第2係数とを用いて表す関数である。 The second function is a function representing a second current flowing from the second electrode terminal to the first electrode terminal with respect to the inter-terminal voltage applied between the first electrode terminal and the second electrode terminal. Specifically, the second function represents the drain current I ds with respect to the inter-terminal voltage V ds when the inter-terminal voltage V ds is negative. In other words, the second function is a function that represents the reverse current (that is, the drain current I ds when V ds <0) using the terminal voltage V ds that is a variable and the second coefficient.

具体的には、第2関数は、(式2)で表される。   Specifically, the second function is expressed by (Expression 2).

Figure 2015191379
Figure 2015191379

ここで、第2係数A、B及びCは、端子間電圧Vdsに依存しない値である。第2係数A、B及びCは、例えば、ゲート電圧Vgs及び温度Tに依存する。言い換えると、第2係数A、B及びCは、第1係数A、B及びCと同様に、ゲート電圧Vgs及び温度Tに依存する第3関数で表される。第3関数の詳細については、後で説明する。 Here, the second coefficient A R, B R and C R are values that do not depend on the inter-terminal voltage Vds. Second coefficient A R, B R and C R are, for example, depends on the gate voltage V gs and temperature T. In other words, the second coefficient A R, B R and C R, the first coefficient A F, as with B F and C F, represented by the third function depending on the gate voltage V gs and temperature T. Details of the third function will be described later.

以上のように、第1関数及び第2関数は、ゲート電極端子Gに印加される電圧(例えば、ゲート電圧Vgs)に依存する関数である。なお、ゲート電圧Vgsは、制御電極端子と第2電極端子との間に印加される制御電圧の一例である。 As described above, the first function and the second function are functions that depend on the voltage applied to the gate electrode terminal G (for example, the gate voltage V gs ). The gate voltage V gs is an example of a control voltage applied between the control electrode terminal and the second electrode terminal.

なお、逆関数型の関係とは、第1関数と第2関数とが互いの逆関数に準ずる関数で表されることを意味する。例えば、第1関数は、第2関数の逆関数に準ずる関数である。具体的には、第1関数は、第2関数の逆関数の係数を、第1係数A、B及びCに置き換えた関数である。同様に、第2関数は、第1関数の逆関数の係数を、第2係数A、B及びCに置き換えた関数である。 Note that the inverse function type relationship means that the first function and the second function are represented by functions according to the inverse functions of each other. For example, the first function is a function according to the inverse function of the second function. Specifically, the first function is a function in which the coefficient of the inverse function of the second function is replaced with the first coefficients A F , B F, and C F. Similarly, the second function, the coefficients of the inverse function of the first function is a function obtained by replacing the second coefficient A R, B R and C R.

図3は、上述の(式1)及び(式2)を図示したグラフである。第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCがゲート電圧Vgsに依存するので、図3に示すように、ゲート電圧Vgsに応じてグラフの形状が異なる。 FIG. 3 is a graph illustrating (Equation 1) and (Equation 2) described above. First coefficient A F, B F and C F and the second coefficient A R, since B R and C R is dependent on the gate voltage V gs, as shown in FIG. 3, the shape of the graph in response to the gate voltage V gs Is different.

第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCは、縦型半導体デバイス10の実測値に基づいて決定される。例えば、ゲート電圧及び温度の組み合わせ毎に取得された実測値との最小二乗法によるフィッティングを行うことにより決定される。各係数の決定方法の具体例については、後で説明する。 First coefficient A F, B F and C F and the second coefficient A R, B R and C R is determined based on the measured value of the vertical semiconductor device 10. For example, it is determined by performing fitting by the least square method with an actual measurement value obtained for each combination of gate voltage and temperature. A specific example of how to determine each coefficient will be described later.

[3.実測値と関数とのフィッティング結果]
続いて、本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10の電流電圧特性の実測値と関数とのフィッティング結果について、図4、図5A及び図5Bを用いて説明する。
[3. Result of fitting between measured value and function]
Subsequently, the fitting result of the measured value and the function of the current-voltage characteristic of the vertical semiconductor device 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4, 5A, and 5B.

図4は、本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10の順方向の電流電圧特性を示す図である。図4では、白丸は実測値を示し、実線は(式1)で表される第1関数をフィッティングした結果を示している。言い換えると、実線は、実測値とのフィッティングにより第1係数が決定された第1関数を示している。なお、図4は、温度Tが25度である場合の実測値とフィッティング結果とを示している。   FIG. 4 is a diagram showing current-voltage characteristics in the forward direction of the vertical semiconductor device 10 according to the present embodiment. In FIG. 4, white circles indicate actual measurement values, and a solid line indicates the result of fitting the first function represented by (Equation 1). In other words, the solid line indicates the first function in which the first coefficient is determined by fitting with the actual measurement value. FIG. 4 shows actual measurement values and fitting results when the temperature T is 25 degrees.

図4に示すように、様々な値のゲート電圧Vgsに対しても適切にフィッティングされていることが分かる。したがって、(式1)で表される第1関数を用いることで、縦型半導体デバイス10の順方向の電流電圧特性を高精度で模擬することができる。 As shown in FIG. 4, it can be seen that fitting is appropriately performed for various values of the gate voltage V gs . Therefore, by using the first function represented by (Expression 1), the forward current-voltage characteristics of the vertical semiconductor device 10 can be simulated with high accuracy.

図5Aは、本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10の逆方向の電流電圧特性を示す図である。また、図5Bは、本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10の逆方向の電流電圧特性を対数表示で示す図である。図5A及び図5Bでは、白丸は実測値を示し、実線は(式2)で表される第2関数をフィッティングした結果を示している。言い換えると、実線は、実測値とのフィッティングにより第2係数が決定された第2関数を示している。なお、図5A及び図5Bは、温度Tが25度である場合の実測値とフィッティング結果とを示している。   FIG. 5A is a diagram showing current-voltage characteristics in the reverse direction of the vertical semiconductor device 10 according to the present embodiment. Moreover, FIG. 5B is a figure which shows the current-voltage characteristic of the reverse direction of the vertical semiconductor device 10 based on this Embodiment by logarithm display. In FIG. 5A and FIG. 5B, white circles indicate actual measurement values, and solid lines indicate the results of fitting the second function represented by (Equation 2). In other words, the solid line indicates the second function in which the second coefficient is determined by fitting with the actual measurement value. 5A and 5B show measured values and fitting results when the temperature T is 25 degrees.

図5A及び図5Bに示すように、様々な値のゲート電圧Vgsに対しても適切にフィッティングされていることが分かる。したがって、(式2)で表される第2関数を用いることで、縦型半導体デバイス10の逆方向の電流電圧特性を高精度で模擬することができる。 As shown in FIG. 5A and FIG. 5B, it can be seen that the fitting is appropriately performed for various values of the gate voltage V gs . Therefore, by using the second function represented by (Equation 2), the current-voltage characteristics in the reverse direction of the vertical semiconductor device 10 can be simulated with high accuracy.

以上のことから、ゲート電圧Vgs及び温度Tを一定とした場合に、順方向の電流電圧特性については(式1)で表される第1関数によって高精度で模擬することができ、逆方向の電流電圧特性については(式2)で表される第2関数によって高精度で模擬することができることが分かる。 From the above, when the gate voltage V gs and the temperature T are constant, the forward current-voltage characteristics can be simulated with high accuracy by the first function expressed by (Equation 1), and the reverse direction It can be seen that the current-voltage characteristics of can be simulated with high accuracy by the second function represented by (Equation 2).

[4.別モデルとの比較]
続いて、本実施の形態に係るデバイスモデル(関数)と別モデル(別の関数)との比較結果について、図6A及び図6Bを用いて説明する。図6A及び図6Bは、本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10の逆方向の電流電圧特性において別のデバイスモデルとの比較結果を示す図である。
[4. Comparison with other models]
Subsequently, a comparison result between the device model (function) according to the present embodiment and another model (other function) will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. 6A and 6B are diagrams showing a comparison result with another device model in the reverse direction current-voltage characteristics of the vertical semiconductor device 10 according to the present embodiment.

本実施の形態では、(式1)及び(式2)で示すように、逆方向の電流電圧特性を表す第2関数は、順方向の電流電圧特性を表す第1関数の逆関数型である。つまり、本実施の形態に係るデバイスモデルでは、逆方向の電流電圧特性を、ゲート電圧に依存する関数によって表している。   In the present embodiment, as represented by (Equation 1) and (Equation 2), the second function representing the reverse current-voltage characteristic is an inverse function type of the first function representing the forward current-voltage characteristic. . That is, in the device model according to the present embodiment, the reverse current-voltage characteristics are represented by a function that depends on the gate voltage.

これに対して、別のデバイスモデルでは、逆方向の電流電圧特性は、ゲート電圧に依存しないダイオードによる電流として、例えば、(式3)に示す指数関数により表される。   On the other hand, in another device model, the current-voltage characteristic in the reverse direction is expressed by an exponential function shown in (Equation 3), for example, as a current due to a diode independent of the gate voltage.

Figure 2015191379
Figure 2015191379

ここで、A、B及びRは、フィッティングによって決定される値である。なお、Rは、直列抵抗成分に相当する。   Here, A, B, and R are values determined by fitting. R corresponds to a series resistance component.

図6A及び図6Bでは、黒丸は実測値を示し、実線は(式2)で表される第2関数を示し、破線は(式3)で表される指数関数を示している。また、図6Aは、温度Tが25度であり、かつ、ゲート電圧Vgsが0Vである場合を示し、図6Bは、温度Tが25度であり、かつ、ゲート電圧Vgsが−6Vである場合を示している。 In FIG. 6A and FIG. 6B, the black circles indicate actual measurement values, the solid line indicates the second function expressed by (Expression 2), and the broken line indicates the exponential function expressed by (Expression 3). 6A shows a case where the temperature T is 25 degrees and the gate voltage V gs is 0 V, and FIG. 6B shows that the temperature T is 25 degrees and the gate voltage V gs is −6 V. It shows a case.

図6Aでは、(式2)及び(式3)のいずれの場合も約1.3V以上の場合を適切に模擬できている。これに対して、図6Bでは、(式3)では、Vdsが約2.2V以下の場合を模擬できていないのに対して、(式2)では、Vdsが約2.2V以下の場合も(約1.7Vまで)模擬できていることが分かる。 In FIG. 6A, the cases of (Equation 2) and (Equation 3) can appropriately simulate the case of about 1.3 V or more. On the other hand, in FIG. 6B, (Equation 3) cannot simulate the case where V ds is about 2.2 V or less, whereas in (Equation 2), V ds is about 2.2 V or less. It can be seen that in some cases (up to about 1.7V) it can be simulated.

このように、(式2)の場合は、ゲート電圧Vgsが変化した場合であっても高精度で電流電圧特性を模擬することができるのに対して、(式3)の場合は、ゲート電圧Vgsが変化した場合には、電流電圧特性を模擬できない場合がある。したがって、(式3)に比べて(式2)の方が、実測値をより高精度で模擬できていることが分かる。 Thus, in the case of (Equation 2), the current-voltage characteristics can be simulated with high accuracy even when the gate voltage V gs changes, whereas in the case of (Equation 3), the gate voltage V gs can be simulated. When the voltage V gs changes, the current-voltage characteristic may not be simulated. Therefore, it can be seen that (Equation 2) can simulate the measured value with higher accuracy than (Equation 3).

以下では、ゲート電圧Vgsが変化した場合に(式3)では、電流電圧特性を精度良く模擬することができない理由について、図2Aを用いて簡単に説明する。 Hereinafter, the reason why the current-voltage characteristics cannot be simulated with high accuracy when the gate voltage V gs changes (Formula 3) will be briefly described with reference to FIG. 2A.

図2Aに示す縦型半導体デバイス10では、ドレイン電極15とソース電極16との間に逆バイアス(Vds<0)を印加すると、ウェル領域13とドリフト層12とで構成されるPNダイオード(ボディダイオード)に電流が流れる(実線の矢印)。このため、他の影響がなければ、逆方向電流は、(式3)に示すように、ダイオード特性に基づいた指数関数で表現することができる。 In the vertical semiconductor device 10 shown in FIG. 2A, when a reverse bias (V ds <0) is applied between the drain electrode 15 and the source electrode 16, a PN diode (body body) composed of the well region 13 and the drift layer 12 is formed. Current flows through the diode (solid arrow). Therefore, if there is no other influence, the reverse current can be expressed by an exponential function based on the diode characteristics as shown in (Equation 3).

しかしながら、例えば、ゲート絶縁膜18の直下にn型ドープ層を形成したような縦型半導体デバイスにおいては、ゲート電極17にゲート電圧Vgsを印加した場合、ウェル領域13の表面近傍(ゲート絶縁膜18の近傍)にチャネルが形成される。あるいは、ゲート電圧Vgsを印加しない場合であっても、チャネルが形成されてもよい。 However, for example, in a vertical semiconductor device in which an n-type doped layer is formed immediately below the gate insulating film 18, when a gate voltage Vgs is applied to the gate electrode 17, the vicinity of the surface of the well region 13 (gate insulating film) A channel is formed in the vicinity of 18). Alternatively, a channel may be formed even when the gate voltage Vgs is not applied.

このため、ドレイン電極15とソース電極16との間に逆バイアス(Vds<0)を印加すると、ボディダイオードではなく、チャネルを介して電流が流れる(破線の矢印)。ゲート電圧Vgsを大きくする程、チャネルが形成されやすくなり、チャネルを介して流れる電流が、ボディダイオードを流れる電流よりも支配的になる。 For this reason, when a reverse bias (V ds <0) is applied between the drain electrode 15 and the source electrode 16, a current flows through the channel instead of the body diode (broken arrow). As the gate voltage V gs is increased, a channel is more easily formed, and the current flowing through the channel becomes more dominant than the current flowing through the body diode.

(式3)で表される指数関数は、ボディダイオードに流れる電流を想定して定められたものであり、ゲート電圧Vgsに依存するチャネルを介して流れる電流を想定していない。このため、図6Bに示すように、電流電圧特性を精度良く模擬することができない場合が存在する。 The exponential function represented by (Equation 3) is determined assuming the current flowing through the body diode, and does not assume the current flowing through the channel depending on the gate voltage V gs . For this reason, as shown to FIG. 6B, there exists a case where a current-voltage characteristic cannot be simulated accurately.

[5.シミュレーション装置の構成]
以下では、上述したようなデバイスモデル(関数)を用いて係数を決定し、縦型半導体デバイス10の電流電圧特性を模擬するシミュレーション装置について、図7を用いて説明する。図7は、本実施の形態に係るシミュレーション装置100の機能構成を示すブロック図である。
[5. Configuration of simulation apparatus]
Hereinafter, a simulation apparatus that determines the coefficient using the device model (function) as described above and simulates the current-voltage characteristics of the vertical semiconductor device 10 will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a block diagram showing a functional configuration of the simulation apparatus 100 according to the present embodiment.

シミュレーション装置100は、図7に示すように、実測値取得部110と、係数決定部120と、シミュレート部130とを備える。なお、シミュレーション装置100を構成する各処理部は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、通信インターフェース、I/Oポート、ハードディスク、ディスプレイなどを備えるコンピュータ上で実行されるプログラムなどのソフトウェアで実現されてもよく、電子回路などのハードウェアで実現されてもよい。   As shown in FIG. 7, the simulation apparatus 100 includes an actual measurement value acquisition unit 110, a coefficient determination unit 120, and a simulation unit 130. Note that each processing unit included in the simulation apparatus 100 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a communication interface, an I / O port, a hard disk, a display, and the like. It may be realized by software such as a program executed on a computer, or may be realized by hardware such as an electronic circuit.

実測値取得部110は、縦型半導体デバイス10の実測値を取得する。例えば、実測値取得部110は、縦型半導体デバイス10の電流電圧特性を測定する測定器から測定データ(実測値)を取得し、メモリなどに記憶させる。実測値は、例えば、ゲート電圧Vgs及び温度Tの組み合わせ毎に測定された、端子間電圧Vdsに対するドレイン電流Idsの値である。 The actual measurement value acquisition unit 110 acquires actual measurement values of the vertical semiconductor device 10. For example, the actual measurement value acquisition unit 110 acquires measurement data (actual measurement value) from a measuring instrument that measures the current-voltage characteristics of the vertical semiconductor device 10 and stores it in a memory or the like. The actual measurement value is, for example, the value of the drain current I ds with respect to the inter-terminal voltage V ds measured for each combination of the gate voltage V gs and the temperature T.

係数決定部120は、第1関数の第1係数と第2関数の第2係数とを、実測値取得部110によって取得された実測値に基づいて決定する。係数決定部120は、図7に示すように、第1係数決定部121と、第2係数決定部122と、第3係数決定部123と、第4係数決定部124とを備える。   The coefficient determination unit 120 determines the first coefficient of the first function and the second coefficient of the second function based on the actual value acquired by the actual value acquisition unit 110. As shown in FIG. 7, the coefficient determination unit 120 includes a first coefficient determination unit 121, a second coefficient determination unit 122, a third coefficient determination unit 123, and a fourth coefficient determination unit 124.

第1係数決定部121は、(式1)で表される第1関数の第1係数A、B及びCを決定する。具体的には、第1関数を実測値にフィッティングすることで、ゲート電圧Vgs及び温度Tの組み合わせ毎に、第1係数A、B及びCを決定する。 The first coefficient determination unit 121 determines the first coefficients A F , B F, and C F of the first function expressed by (Expression 1). Specifically, the first function A F , B F, and C F are determined for each combination of the gate voltage V gs and the temperature T by fitting the first function to the actually measured value.

例えば、第1係数が未定の第1関数が予めメモリなどに記憶されている。第1係数決定部121は、メモリなどから第1関数と実測値とを読み出す。このとき、読み出される実測値は、ゲート電圧Vgs及び温度Tの組み合わせに対応する実測値である。そして、第1係数決定部121は、第1関数を実測値に、最小二乗法を用いてフィッティングすることで、ゲート電圧Vgs及び温度Tの組み合わせに対応する第1係数A、B及びCを決定する。決定した第1係数A、B及びCは、例えば、ゲート電圧Vgs及び温度Tの組み合わせに対応付けてメモリに格納される。 For example, a first function whose first coefficient is undetermined is stored in advance in a memory or the like. The first coefficient determination unit 121 reads the first function and the actual measurement value from a memory or the like. At this time, the read actual value is an actual value corresponding to the combination of the gate voltage V gs and the temperature T. The first coefficient determination unit 121, the measured value of the first function, by fitting using the least squares method, the first coefficient A F corresponding to the combination of the gate voltage V gs and the temperature T, B F and Determine C F. The determined first coefficients A F , B F and C F are stored in the memory in association with the combination of the gate voltage V gs and the temperature T, for example.

第2係数決定部122は、(式2)で表される第2関数の第2係数A、B及びCを決定する。具体的には、第2関数を実測値にフィッティングすることで、ゲート電圧Vgs及び温度Tの組み合わせ毎に、第2係数A、B及びCを決定する。 Second coefficient determining unit 122 determines the second coefficient A R, B R and C R of the second function expressed by Equation (2). Specifically, by fitting a second function to the measured value, for each combination of the gate voltage V gs and the temperature T, to determine a second coefficient A R, B R and C R.

例えば、第2係数が未定の第2関数が予めメモリなどに記憶されている。第2係数決定部122は、メモリなどから第2関数と実測値とを読み出す。このとき、読み出される実測値は、ゲート電圧Vgs及び温度Tの組み合わせに対応する実測値である。そして、第2係数決定部122は、第2関数を実測値に、最小二乗法を用いてフィッティングすることで、ゲート電圧Vgs及び温度Tの組み合わせに対応する第2係数A、B及びCを決定する。決定した第2係数A、B及びCは、例えば、ゲート電圧Vgs及び温度Tの組み合わせに対応付けてメモリに格納される。 For example, a second function whose second coefficient is undetermined is stored in advance in a memory or the like. The second coefficient determination unit 122 reads the second function and the actual measurement value from a memory or the like. At this time, the read actual value is an actual value corresponding to the combination of the gate voltage V gs and the temperature T. The second coefficient determining unit 122, the measured values of the second function, by fitting using the least squares method, the second coefficient A R corresponding to the combination of the gate voltage V gs and the temperature T, B R and to determine the C R. Second coefficient A R was determined, B R and C R are, for example, are stored in the memory in association with the combination of the gate voltage V gs and temperature T.

第3係数決定部123は、第3関数を、ゲート電圧Vgs毎に決定された第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCにフィッティングすることで、第3係数を決定する。具体的には、第3係数決定部123は、温度毎に、第3関数を、ゲート電圧Vgs毎に決定された第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCにフィッティングする。これにより、第3係数決定部123は、温度毎に第3係数を決定する。 The third factor determining unit 123, by fitting the third function, the first coefficient A F determined for each gate voltage V gs, B F and C F and the second coefficient A R, the B R and C R The third coefficient is determined. Specifically, the third coefficient determination unit 123 sets the third function for each temperature, the first coefficients A F , B F and C F and the second coefficients A R , B determined for each gate voltage V gs. fitting in R and C R. Thereby, the 3rd coefficient determination part 123 determines a 3rd coefficient for every temperature.

例えば、第3係数が未定の第3関数が予めメモリなどに記憶されている。第3係数決定部123は、メモリなどから第3関数と、決定された第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCとを読み出す。このとき、読み出される第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCは、温度Tに対応する係数である。そして、第3係数決定部123は、第3関数を、決定された第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCに、最小二乗法を用いてフィッティングすることで、温度Tに対応する第3係数を決定する。決定した第3係数は、例えば、温度Tに対応付けてメモリに格納される。 For example, a third function whose third coefficient is undetermined is stored in advance in a memory or the like. Third coefficient determining unit 123 reads the third function from such as a memory, the first coefficient A F determined, B F and C F and the second coefficient A R, and B R and C R. In this case, the first coefficient A F, B F and C F and the second coefficient A R, B R and C R to be read, a coefficient corresponding to the temperature T. The third coefficient determining unit 123, a third function, the first coefficient A F determined, B F and C F and the second coefficient A R, the B R and C R, using the method of least squares fitting As a result, the third coefficient corresponding to the temperature T is determined. The determined third coefficient is stored in the memory in association with the temperature T, for example.

なお、第3関数は、ゲート電圧Vgsと温度Tとに依存する関数である。第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCは、例えば、ゲート電圧Vgsを変数とする第3関数で表される。 The third function is a function that depends on the gate voltage V gs and the temperature T. First coefficient A F, B F and C F and the second coefficient A R, B R and C R are, for example, represented by the third function of the gate voltage V gs as a variable.

また、第3係数は、第3関数の係数であり、温度Tに依存する係数である。つまり、第3係数は、温度Tを変数とする第4関数で表される。第3関数及び第4関数の具体例については、後で説明する。   The third coefficient is a coefficient of the third function and is a coefficient depending on the temperature T. That is, the third coefficient is represented by a fourth function having the temperature T as a variable. Specific examples of the third function and the fourth function will be described later.

第4係数決定部124は、第4関数を、温度毎に決定された第3係数にフィッティングすることで、第4係数を決定する。なお、第4係数は、第4関数の係数であり、温度に依存しない係数である。第4係数決定部124が第4係数を決定することで、第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCが決定される。 The fourth coefficient determination unit 124 determines the fourth coefficient by fitting the fourth function to the third coefficient determined for each temperature. The fourth coefficient is a coefficient of the fourth function, and is a coefficient that does not depend on temperature. When the fourth coefficient determination unit 124 determines the fourth coefficient, the first coefficients A F , B F and C F and the second coefficients A R , BR and CR are determined.

例えば、第4係数が未定の第4関数が予めメモリなどに記憶されている。第4係数決定部124は、メモリなどから第4関数と、決定された第3係数とを読み出す。そして、第4係数決定部124は、第4関数を、決定された第3係数に、最小二乗法を用いてフィッティングすることで、第4係数を決定する。決定した第4係数は、例えば、メモリに格納される。   For example, a fourth function whose fourth coefficient is undetermined is stored in advance in a memory or the like. The fourth coefficient determination unit 124 reads the fourth function and the determined third coefficient from a memory or the like. Then, the fourth coefficient determination unit 124 determines the fourth coefficient by fitting the fourth function to the determined third coefficient using the least square method. The determined fourth coefficient is stored in a memory, for example.

シミュレート部130は、第1関数及び第2関数を用いて縦型半導体デバイス10の電気特性を模擬する。具体的には、シミュレート部130は、第1係数が決定された第1関数と、第2係数が決定された第2関数とを用いて、電気特性を模擬する。例えば、シミュレート部130は、電流電圧特性、スイッチング特性などを模擬する。例えば、シミュレート部130は、メモリから、決定された第1関数及び第2関数を読み出して必要な演算を行うことにより、電流電圧特性などを模擬する。   The simulation unit 130 simulates the electrical characteristics of the vertical semiconductor device 10 using the first function and the second function. Specifically, the simulation unit 130 simulates the electrical characteristics using the first function for which the first coefficient is determined and the second function for which the second coefficient is determined. For example, the simulation unit 130 simulates current-voltage characteristics, switching characteristics, and the like. For example, the simulation unit 130 reads out the determined first function and second function from the memory and performs necessary calculations to simulate current-voltage characteristics and the like.

なお、シミュレート部130は、例えば、模擬結果をメモリなどに書き込む。あるいは、シミュレート部130は、シミュレーション装置100が備えるディスプレイなどに模擬結果を表示してもよい。   For example, the simulation unit 130 writes the simulation result in a memory or the like. Or the simulation part 130 may display a simulation result on the display etc. with which the simulation apparatus 100 is provided.

なお、例えば、各処理部がソフトウェアで実現される場合には、CPU、メモリ及び入出力回路などのコンピュータのハードウェア資源を利用してプログラムが実行されることによって、上記処理部の機能が実現される。つまり、CPUが処理対象のデータをメモリ又は入出力回路から読み出して(取り出して)演算したり、演算結果を一時的にメモリ又は入出力回路に格納(出力)したりすることによって、各処理部の機能が実現される。   For example, when each processing unit is realized by software, the function of the processing unit is realized by executing a program using computer hardware resources such as a CPU, a memory, and an input / output circuit. Is done. That is, the CPU reads out (takes out) processing target data from the memory or the input / output circuit, and temporarily stores (outputs) the calculation result in the memory or the input / output circuit. The function is realized.

[6.動作]
続いて、本実施の形態に係るシミュレーション装置100の動作について、図8A、図8B及び図9を用いて説明する。図8Aは、本実施の形態に係るシミュレーション方法を示すフローチャートである。図8Bは、本実施の形態に係るシミュレーション方法において各係数を決定する処理を示すフローチャートである。図9は、本実施の形態に係るシミュレーション方法において各係数を決定する処理を模式的に示す図である。
[6. Operation]
Next, the operation of the simulation apparatus 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 8A, 8B, and 9. FIG. 8A is a flowchart showing a simulation method according to the present embodiment. FIG. 8B is a flowchart showing processing for determining each coefficient in the simulation method according to the present embodiment. FIG. 9 is a diagram schematically showing processing for determining each coefficient in the simulation method according to the present embodiment.

まず、実測値取得部110が実測値を取得する(S100)。具体的には、複数(n個)の温度での実測値を取得した場合、実測値取得部110は、取得した実測値をT〜Tのグループに分類する。さらに、実測値取得部110は、温度毎に分類された実測値を、ゲート電圧Vgs毎に分類する。例えば、複数(m個)のゲート電圧での実測値を取得した場合、実測値取得部110は、取得した実測値をVgs1〜Vgsmのグループに分類する。具体的には、実測値取得部110は、ゲート電圧Vgsと温度Tとの組み合わせに対応付けて、取得した実測値をメモリに格納することで、実測値のグループ分けを行う。 First, the actual measurement value acquisition unit 110 acquires actual measurement values (S100). Specifically, when actual measurement values at a plurality (n) of temperatures are acquired, the actual measurement value acquisition unit 110 classifies the acquired actual measurement values into groups T 1 to T n . Furthermore, the actual measurement value acquisition unit 110 classifies the actual measurement values classified for each temperature for each gate voltage Vgs . For example, when the actual measurement values at a plurality (m) of gate voltages are acquired, the actual measurement value acquisition unit 110 classifies the acquired actual measurement values into groups of V gs1 to V gsm . Specifically, the actual measurement value acquisition unit 110 performs grouping of the actual measurement values by storing the acquired actual measurement values in a memory in association with the combination of the gate voltage V gs and the temperature T.

次に、係数決定部120は、各関数の各係数を決定する(S110)。具体的な決定方法については、図8Bを用いて以下で説明する。   Next, the coefficient determination unit 120 determines each coefficient of each function (S110). A specific determination method will be described below with reference to FIG. 8B.

まず、第1係数決定部121及び第2係数決定部122は、n個のT〜Tのグループの中から1つのグループを選択する(S112)。例えば、温度Tで測定された実測値のグループを選択したとする。 First, the first coefficient determination unit 121 and the second coefficient determination unit 122 select one group from the n groups of T 1 to T n (S112). For example, and selects a group of measured values measured at a temperature T 1.

第1係数決定部121及び第2係数決定部122は、第1関数及び第2関数を実測値にフィッティングすることで、ゲート電圧Vgs毎に、第1係数及び第2係数を決定する(S114)。具体的には、まず、第1係数決定部121及び第2係数決定部122は、m個のVgs1〜Vgsmのグループの中から1つのグループを選択する。例えば、ゲート電圧Vgs1で測定された実測値のグループを選択したとする。具体的には、第1係数決定部121及び第2係数決定部122は、メモリから、温度T及びゲート電圧Vgs1に対応付けられた実測値データを読み出す。 The first coefficient determination unit 121 and the second coefficient determination unit 122 determine the first coefficient and the second coefficient for each gate voltage V gs by fitting the first function and the second function to the actual measurement values (S114). ). Specifically, first, the first coefficient determination unit 121 and the second coefficient determination unit 122 select one group from the m groups of V gs1 to V gsm . For example, assume that a group of actually measured values measured at the gate voltage V gs1 is selected. More specifically, the first coefficient determining unit 121 and the second coefficient determining section 122, from the memory, reads the measured value data corresponding to the temperature T 1 and the gate voltage V gs1.

この場合、第1係数決定部121は、ゲート電圧Vgs1で測定された実測値と(式1)で表される第1関数とを用いて最小二乗法によりフィッティングすることで、第1係数A、B及びCを決定する。同様に、第2係数決定部122は、ゲート電圧Vgs1で測定された実測値と(式2)で表される第2関数とを用いて最小二乗法によりフィッティングすることで、第2係数A、B及びCを決定する。これにより、温度T及びゲート電圧Vgs1に対応する第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCが決定される。 In this case, the first coefficient determination unit 121 performs fitting by the least square method using the measured value measured by the gate voltage V gs1 and the first function expressed by (Equation 1), so that the first coefficient A Determine F 1 , B F and C F. Similarly, the second coefficient determination unit 122 performs fitting by the least square method using the actual measurement value measured by the gate voltage V gs1 and the second function represented by (Equation 2), so that the second coefficient A R 1 , BR and CR are determined. Thus, the first coefficient A F corresponding to the temperature T 1 and the gate voltage V gs1, B F and C F and the second coefficient A R, B R and C R are determined.

次に、全てのゲート電圧のグループに対応する係数が決定されるまで、異なるゲート電圧Vgsのグループ(例えば、Vgs2)を選択し、第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCを決定するステップを実行する。これにより、ある温度(例えば、T)に対応するゲート電圧毎の第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCが決定される(図9の(S114))。 Next, different groups of gate voltages V gs (eg, V gs2 ) are selected until the coefficients corresponding to all groups of gate voltages are determined, and the first coefficients A F , B F and C F and second performing the step of determining the coefficients a R, B R and C R. Thus, a certain temperature (e.g., T 1) the first coefficient A F of each gate voltages corresponding to, B F and C F and the second coefficient A R, B R and C R are determined (in FIG. 9 ( S114)).

次に、第3係数決定部123は、第3関数を、ゲート電圧毎に決定された第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCにフィッティングすることで、第3係数を決定する(S116)。 A third factor determining unit 123, fitting the third function, the first coefficient A F determined for each gate voltage, B F and C F and the second coefficient A R, the B R and C R Thus, the third coefficient is determined (S116).

例えば、第1係数Aを表す第3関数は、(式4)で表される。 For example, the third function representing the first coefficient A F is expressed by (Expression 4).

Figure 2015191379
Figure 2015191379

なお、第3係数a〜aはそれぞれ、ゲート電圧Vgsに依存しない値である。具体的には、第3係数は、温度Tを変数とする第4関数で表される。 The third coefficients a 1 to a 8 are values that do not depend on the gate voltage V gs . Specifically, the third coefficient is represented by a fourth function having the temperature T as a variable.

第3係数決定部123は、温度Tに対応するゲート電圧Vgs毎の第1係数Aに(式4)で表される第3関数をフィッティングすることで、第3係数a〜aを決定する。 The third coefficient determination unit 123 fits the third coefficient a 1 to a a by fitting the third function represented by (Equation 4) to the first coefficient A F for each gate voltage V gs corresponding to the temperature T 1. 8 is determined.

同様に、第1係数B及びC並びに第2係数A、B及びCについても、ゲート電圧Vgs及び温度Tに依存する第3関数として表すことができる。第3係数決定部123は、温度Tに対応するゲート電圧Vgs毎の第1係数B及びC並びに第2係数A、B及びCのそれぞれに、係数に応じた第3関数をフィッティングすることで、第3係数を決定する(図9の(S116))。 Similarly, the first coefficient B F and C F and the second coefficient A R, for even B R and C R, can be expressed as a third function depending on the gate voltage V gs and temperature T. The third factor determining unit 123, first coefficient B F and C F and the second coefficient A R for each gate voltage V gs corresponding to the temperature T 1, each of B R and C R, the corresponding coefficient 3 The third coefficient is determined by fitting the function ((S116) in FIG. 9).

そして、全ての温度のグループに対応する第3係数が決定されるまで、異なる温度Tのグループ(例えば、T)を選択し、同様に、第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCを決定するステップ(S114)と、第3係数を決定するステップ(S116)とを実行する(S112)。これにより、第1係数A、B及びC並びに第2係数A、B及びCのそれぞれについて、温度毎に第3係数が決定される。 Then, different temperature T groups (eg, T 2 ) are selected until the third coefficients corresponding to all temperature groups are determined, and similarly, the first coefficients A F , B F and C F and the first coefficients 2 factor a R, executes the step (S114) for determining the B R and C R, and a step (S116) for determining a third coefficient (S112). Thus, the first coefficient A F, B F and C F and the second coefficient A R, for each of the B R and C R, the third coefficients are determined for each temperature.

次に、第4係数決定部124は、第4関数を、温度毎に決定された第3係数にフィッティングすることで、第4関数の第4係数を決定する(S118)。   Next, the fourth coefficient determination unit 124 determines the fourth coefficient of the fourth function by fitting the fourth function to the third coefficient determined for each temperature (S118).

これにより、例えば、第3係数aは、(式5)で表される。 Thereby, for example, the third coefficient a 1 is expressed by (Expression 5).

Figure 2015191379
Figure 2015191379

同様にして、第3係数a〜aを決定することができる。また、第1係数B及びC並びに第2係数A、B及びCのそれぞれについても同様に、(式4)及び(式5)に準ずる数式を利用することで、ゲート電圧Vgs及び温度Tの関数として表すことができる。 Similarly, the third coefficients a 2 to a 8 can be determined. The first factor B F and C F and the second coefficient A R, similarly for each of the B R and C R, by using a formula equivalent to equation (4) and (5), the gate voltage V It can be expressed as a function of gs and temperature T.

これにより、(式1)及び(式2)で表される第1関数及び第2関数は、実測値から決定された実数値を係数として有し、端子間電圧Vds、ゲート電圧Vgs、温度Tを変数とする関数で表すことができる(図9の(S118))。 Thus, the first function and the second function represented by (Expression 1) and (Expression 2) have real values determined from the actual measurement values as coefficients, and the terminal voltage V ds , the gate voltage V gs , It can be expressed by a function having the temperature T as a variable ((S118) in FIG. 9).

最後に、図8Aに示すように、シミュレート部130は、第1係数が決定された第1関数及び第2係数が決定された第2関数を用いて、縦型半導体デバイス10の電気特性を模擬する(S120)。   Finally, as shown in FIG. 8A, the simulating unit 130 uses the first function for which the first coefficient is determined and the second function for which the second coefficient is determined to determine the electrical characteristics of the vertical semiconductor device 10. Simulate (S120).

[7.シミュレーション結果]
続いて、上述した方法で決定された第1関数及び第2関数を用いたシミュレーション結果について説明する。
[7. simulation result]
Subsequently, a simulation result using the first function and the second function determined by the above-described method will be described.

[7−1.電流電圧特性]
図10A〜図10Dは、本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10の電流電圧特性を示す図である。図10A〜図10Dはそれぞれ、温度T=−50度、25度、75度、125度のときの電流電圧特性を示している。なお、各図において、白丸は実測値を示し、実線が(式1)で表される第1関数及び(式2)で表される第2関数(すなわち、デバイスモデル)を示している。
[7-1. Current-voltage characteristics]
10A to 10D are diagrams showing current-voltage characteristics of the vertical semiconductor device 10 according to the present embodiment. 10A to 10D show current-voltage characteristics at temperatures T = −50 degrees, 25 degrees, 75 degrees, and 125 degrees, respectively. In each figure, white circles indicate actual measurement values, and a solid line indicates a first function expressed by (Expression 1) and a second function expressed by (Expression 2) (that is, a device model).

図10A〜図10Dに示すように、順方向及び逆方向のいずれの電流電圧特性も各温度について、(式1)及び(式2)が実測値を高精度で模擬できていることが分かる。   As shown in FIGS. 10A to 10D, it can be seen that (Equation 1) and (Equation 2) can simulate the measured values with high accuracy for each temperature in both forward and reverse current-voltage characteristics.

図11A及び図11Bは、本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10とは異なる縦型半導体デバイスA及びBの電流電圧特性を示す図である。図11Aに示すデバイスA及び図11Bに示すデバイスBのいずれも上述した縦型半導体デバイス10と同様の構成を有し、電流電圧特性と類似の特性を有する。つまり、デバイスA及びBは、逆バイアスを印加した場合にソース電極端子からドレイン電極端子にかけて流れる電流は、チャネルを介して流れる電流と、ボディダイオードを流れる電流とを含んでいる。   11A and 11B are diagrams showing current-voltage characteristics of vertical semiconductor devices A and B different from the vertical semiconductor device 10 according to the present embodiment. Both the device A shown in FIG. 11A and the device B shown in FIG. 11B have the same configuration as the vertical semiconductor device 10 described above, and have characteristics similar to the current-voltage characteristics. That is, in the devices A and B, when a reverse bias is applied, the current flowing from the source electrode terminal to the drain electrode terminal includes a current flowing through the channel and a current flowing through the body diode.

図12A及び図12Bは、デバイスA及びBに対して、上述した(式1)で表される第1関数及び(式2)で表される第2関数を用いたシミュレーション結果を示す図である。具体的には、図12Aは、順方向の電流電圧特性を示し、図12Bは、逆方向の電流電圧特性を示している。各図において、白丸は実測値を示し、破線は(式1)又は(式2)を示している。   12A and 12B are diagrams illustrating simulation results using the first function expressed by (Expression 1) and the second function expressed by (Expression 2) for the devices A and B described above. . Specifically, FIG. 12A shows current-voltage characteristics in the forward direction, and FIG. 12B shows current-voltage characteristics in the reverse direction. In each figure, white circles indicate actual measurement values, and broken lines indicate (Expression 1) or (Expression 2).

図12A及び図12Bに示すように、順方向及び逆方向のいずれの電流電圧特性も、(式1)及び(式2)が実測値を高精度で模擬できていることが分かる。   As shown in FIGS. 12A and 12B, it can be seen that (Equation 1) and (Equation 2) can simulate the measured values with high accuracy in both forward and reverse current-voltage characteristics.

このように、(式1)で表される第1関数及び(式2)で表される第2関数は、特定のデバイスだけでなく、他の縦型半導体デバイスに適用できることが分かる。   Thus, it can be seen that the first function represented by (Expression 1) and the second function represented by (Expression 2) can be applied not only to a specific device but also to other vertical semiconductor devices.

[7−2.スイッチング特性]
次に、本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10のスイッチング特性について、図13、図14A及び図14Bを用いて説明する。図13は、本実施の形態に係る縦型半導体デバイスの端子間容量のドレイン−ソース間の端子間電圧に対する依存性を示す図である。図14A及び図14Bは、本実施の形態に係る縦型半導体デバイスのスイッチング特性を示す図である。
[7-2. Switching characteristics]
Next, switching characteristics of the vertical semiconductor device 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 13, 14A, and 14B. FIG. 13 is a diagram showing the dependency of the inter-terminal capacitance of the vertical semiconductor device according to the present embodiment on the drain-source voltage. 14A and 14B are diagrams showing the switching characteristics of the vertical semiconductor device according to the present embodiment.

まず、縦型半導体デバイス10のスイッチング特性を求めるために、各端子間の可変容量21〜23の容量値Cds、Cdg、Cgsの電圧依存性を所定の関数によって模擬する。 First, in order to determine the switching characteristics of the vertical semiconductor device 10 to simulate the variable capacitance 21 to 23 of the capacitance value C ds, C dg, voltage dependence a predetermined function of C gs between the terminals.

例えば、Vgs=0Vにおける縦型半導体デバイス10の入力容量Ciss、出力容量Coss、及び、帰還容量Crssを測定することで得られた実測値と、以下の(式6)〜(式8)とを用いて、容量値Cds、Cdg、Cgsの値(実測値に相当)を算出する。 For example, measured values obtained by measuring the input capacitance C iss , the output capacitance C oss , and the feedback capacitance C rss of the vertical semiconductor device 10 at V gs = 0 V, and the following (Formula 6) to (Formula 6) 8) is used to calculate the values of capacitance values C ds , C dg , C gs (corresponding to actual measured values).

(式6) Cds=Coss−Crss
(式7) Cdg=Crss
(式8) Cgs=Ciss−Crss
(Formula 6) Cds = Coss- Crss
(Expression 7) C dg = C rss
(Formula 8) Cgs = Ciss- Crss

そして、以下の(式9)及び(式10)で表される関数を用いて、Cds、Cdg、Cgsの値(実測値に相当)にフィッティングすることで、(式9)及び(式10)の係数(フィッティングパラメータ)を算出する。 Then, by fitting to the values of C ds , C dg , and C gs (corresponding to actual measurement values) using the functions expressed by the following (Equation 9) and (Equation 10), (Equation 9) and ( The coefficient (fitting parameter) of Equation 10) is calculated.

Figure 2015191379
Figure 2015191379
Figure 2015191379
Figure 2015191379

なお、A、B、C、D、F、G、H、R、P、Q、Vがフィッティングパラメータである。実測値に相当するCds、Cdg、Cgsに最小二乗法により(式9)及び(式10)をフィッティングすることで、各フィッティングパラメータが決定される。 Incidentally, A, B, C, D , F, G, H, R, P, Q, V J is the fitting parameter. Each fitting parameter is determined by fitting (Equation 9) and (Equation 10) to C ds , C dg , and C gs corresponding to the actually measured values by the least square method.

フィッティングパラメータが決定された(式9)及び(式10)に基づいて、入力容量Ciss、出力容量Coss及び帰還容量Crssを算出する。図13に示す実線は、算出結果(すなわち、フィッティング結果)を示している。図13に示すように、入力容量Ciss、出力容量Coss及び帰還容量Crssを高精度で模擬することができている。 Based on (Equation 9) and (Equation 10) in which the fitting parameters are determined, the input capacitance Ciss , the output capacitance Coss, and the feedback capacitance Crss are calculated. A solid line shown in FIG. 13 indicates a calculation result (that is, a fitting result). As shown in FIG. 13, the input capacitance Ciss , the output capacitance Coss, and the feedback capacitance Crss can be simulated with high accuracy.

以上のように決定された(式9)及び(式10)と、(式1)とを用いて縦型半導体デバイス10の順方向におけるスイッチング特性についてのシミュレーションを行った結果を図14A及び図14Bに示す。図14A及び図14Bは、ダブルパルス試験における縦型半導体デバイス10のシミュレーション結果を示している。なお、実線が実測値を示し、破線がデバイスモデルを示している。いずれの場合も高精度で模擬することができていることが分かる。   FIG. 14A and FIG. 14B show the results of simulation of the switching characteristics in the forward direction of the vertical semiconductor device 10 using (Equation 9) and (Equation 10) determined as described above and (Equation 1). Shown in 14A and 14B show the simulation results of the vertical semiconductor device 10 in the double pulse test. The solid line indicates the actual measurement value, and the broken line indicates the device model. In any case, it can be seen that the simulation can be performed with high accuracy.

また、図15に、本実施の形態に係る縦型半導体デバイス10の逆方向電流の逆回復特性を示す。なお、実線が実測値を示し、破線がデバイスモデルを示している。   FIG. 15 shows reverse recovery characteristics of reverse current of the vertical semiconductor device 10 according to the present embodiment. The solid line indicates the actual measurement value, and the broken line indicates the device model.

逆回復特性は、図15に示すように、少数キャリア蓄積効果によって流れる逆方向電流の時間変化を示す。具体的には、逆回復特性は、順バイアスを印加しているときに蓄積した少数キャリアが、逆バイアスを印加した時に移動することで流れる逆方向電流の時間変化を示している。   As shown in FIG. 15, the reverse recovery characteristic indicates the time change of the reverse current that flows due to the minority carrier accumulation effect. Specifically, the reverse recovery characteristic indicates a time change of a reverse current that flows when minority carriers accumulated when a forward bias is applied move when the reverse bias is applied.

図15に示すように、本実施の形態に係るシミュレーション方法によれば、高精度で模擬することができていることが分かる。   As shown in FIG. 15, it can be seen that the simulation method according to the present embodiment can be simulated with high accuracy.

以上のように、本実施の形態に係るシミュレーション方法では、ドレイン電極端子D及びソース電極端子Sを備える縦型半導体デバイス10の電気特性を模擬するシミュレーション方法であって、端子間電圧Vdsに対する順方向電流を表す第1関数と、端子間電圧Vdsに対する逆方向電流を表す第2関数とを用いて、縦型半導体デバイス10の電気特性を模擬するステップを含み、第1関数と第2関数とは、逆関数型の関係を有する。 As described above, the simulation method according to the present embodiment is a simulation method for simulating the electrical characteristics of the vertical semiconductor device 10 including the drain electrode terminal D and the source electrode terminal S, and is in order with respect to the inter-terminal voltage Vds . Using the first function representing the directional current and the second function representing the reverse current with respect to the inter-terminal voltage V ds to simulate the electrical characteristics of the vertical semiconductor device 10, and the first function and the second function And have an inverse function type relationship.

これにより、逆関数型の関係を有する第1関数及び第2関数を用いるので、縦型半導体デバイス10の電気特性を高精度で模擬することができる。   Thereby, the first function and the second function having an inverse function type relationship are used, so that the electrical characteristics of the vertical semiconductor device 10 can be simulated with high accuracy.

(他の実施の形態)
以上、1つ又は複数の態様に係るシミュレーション方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、及び、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
(Other embodiments)
Although the simulation method according to one or more aspects has been described above based on the embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. Unless it deviates from the main point of this invention, what made the various deformation | transformation which those skilled in the art think about this embodiment, and the form constructed | assembled combining the component in a different embodiment are also included in the scope of the present invention. It is.

例えば、上記の実施の形態では、縦型半導体デバイス10が縦型MOSFETである例について説明したが、これに限らない。例えば、本発明の一態様に係る縦型半導体デバイスは、IGBTでもよい。   For example, in the above-described embodiment, the example in which the vertical semiconductor device 10 is the vertical MOSFET has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the vertical semiconductor device according to one embodiment of the present invention may be an IGBT.

また、上記の実施の形態では、縦型半導体デバイス10は、第1電極端子、第2電極端子及び制御電極端子の3つの端子を備える例について説明したが、制御電極端子を備えていなくてもよい。例えば、本発明の一態様に係る縦型半導体デバイスは、ダイオードでもよい。   In the above-described embodiment, the vertical semiconductor device 10 has been described as an example including the three terminals of the first electrode terminal, the second electrode terminal, and the control electrode terminal. However, the vertical semiconductor device 10 may not include the control electrode terminal. Good. For example, the vertical semiconductor device according to one embodiment of the present invention may be a diode.

また、例えば、上記の実施の形態では、制御電圧がゲート−ソース間の端子間電圧Vgsである例について説明したが、制御電圧は、例えば、ゲート−ドレイン間の端子間電圧Vgdでもよい。 For example, in the above embodiment, the example in which the control voltage is the gate-source terminal voltage V gs has been described. However, the control voltage may be, for example, the gate-drain terminal voltage V gd. .

また、例えば、上記の実施の形態では、デバイスモデルを表す第1関数、第2関数、第3関数及び第4関数について、(式1)、(式2)、(式4)及び(式5)を例に説明したが、これらは一例であって、第1関数及び第2関数が逆関数型の関係を有していればよく、別の多項式などを用いてもよい。   Further, for example, in the above embodiment, (Formula 1), (Formula 2), (Formula 4) and (Formula 5) are used for the first function, the second function, the third function, and the fourth function representing the device model. However, these are merely examples, and it is sufficient that the first function and the second function have an inverse function relationship, and another polynomial or the like may be used.

また、上記の各実施の形態は、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。   Each of the above-described embodiments can be variously changed, replaced, added, omitted, etc. within the scope of the claims or an equivalent scope thereof.

本発明は、縦型半導体デバイスを高精度で模擬することができるシミュレーション方法として利用でき、例えば、インバータ及びコンバータなどのパワーエレクトロニクス回路の設計などに利用することができる。   The present invention can be used as a simulation method capable of simulating a vertical semiconductor device with high accuracy, and can be used, for example, in the design of power electronics circuits such as inverters and converters.

10 縦型半導体デバイス
11 基板
12 ドリフト層
13 ウェル領域
14 ソース領域
15 ドレイン電極
16 ソース電極
17 ゲート電極
18 ゲート絶縁膜
20 双方向電流源
21、22、23 可変容量
100 シミュレーション装置
110 実測値取得部
120 係数決定部
121 第1係数決定部
122 第2係数決定部
123 第3係数決定部
124 第4係数決定部
130 シミュレート部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Vertical semiconductor device 11 Substrate 12 Drift layer 13 Well area | region 14 Source area | region 15 Drain electrode 16 Source electrode 17 Gate electrode 18 Gate insulating film 20 Bidirectional current source 21, 22, 23 Variable capacity | capacitance 100 Simulation apparatus 110 Actual value acquisition part 120 Coefficient determining unit 121 First coefficient determining unit 122 Second coefficient determining unit 123 Third coefficient determining unit 124 Fourth coefficient determining unit 130 Simulating unit

Claims (8)

第1電極端子及び第2電極端子を備える縦型半導体デバイスの電気特性を模擬するシミュレーション方法であって、
前記第1電極端子と前記第2電極端子との間に印加される端子間電圧に対する、前記第1電極端子から前記第2電極端子に流れる第1電流を表す第1関数と、前記端子間電圧に対する、前記第2電極端子から前記第1電極端子に流れる第2電流を表す第2関数とを用いて、前記縦型半導体デバイスの電気特性を模擬するステップを含み、
前記第1関数と前記第2関数とは、逆関数型の関係を有する
シミュレーション方法。
A simulation method for simulating electrical characteristics of a vertical semiconductor device having a first electrode terminal and a second electrode terminal,
A first function representing a first current flowing from the first electrode terminal to the second electrode terminal with respect to an inter-terminal voltage applied between the first electrode terminal and the second electrode terminal; and the inter-terminal voltage And simulating the electrical characteristics of the vertical semiconductor device using a second function representing a second current flowing from the second electrode terminal to the first electrode terminal.
The simulation method, wherein the first function and the second function have an inverse function relationship.
前記シミュレーション方法は、さらに、
前記第1関数の第1係数と、前記第2関数の第2係数とを、前記縦型半導体デバイスの実測値に基づいて決定するステップを含み、
前記模擬するステップでは、
前記第1係数が決定された前記第1関数と前記第2係数が決定された前記第2関数とを用いて、前記電気特性を模擬する
請求項1に記載のシミュレーション方法。
The simulation method further includes:
Determining a first coefficient of the first function and a second coefficient of the second function based on an actual measurement value of the vertical semiconductor device;
In the simulating step,
The simulation method according to claim 1, wherein the electrical characteristics are simulated using the first function for which the first coefficient is determined and the second function for which the second coefficient is determined.
前記第2関数は、前記第1関数の逆関数の係数を前記第2係数に置き換えた関数である
請求項2に記載のシミュレーション方法。
The simulation method according to claim 2, wherein the second function is a function in which a coefficient of an inverse function of the first function is replaced with the second coefficient.
前記縦型半導体デバイスは、さらに、制御電極端子を備え、
前記第1関数及び前記第2関数は、前記制御電極端子に印加される電圧に依存する関数である
請求項2又は3に記載のシミュレーション方法。
The vertical semiconductor device further includes a control electrode terminal,
The simulation method according to claim 2, wherein the first function and the second function are functions that depend on a voltage applied to the control electrode terminal.
前記第1電流及び前記第2電流をIdsで表し、前記端子間電圧をVdsで表した場合に、
前記第1関数は、(式A)で表され、
前記第2関数は、(式B)で表され、
前記(式A)の前記第1係数A、B及びC並びに前記(式B)の前記第2係数A、B及びCは、前記Vdsに依存しない値である
請求項4に記載のシミュレーション方法。
Figure 2015191379
Figure 2015191379
When the first current and the second current are represented by I ds and the terminal voltage is represented by V ds ,
The first function is represented by (Formula A),
The second function is expressed by (Formula B),
Wherein the first coefficient A F, B F and C F and the second coefficient A R of the formula (B), B R and C R are claims is a value which does not depend on the V ds (Formula A) 4. The simulation method according to 4.
Figure 2015191379
Figure 2015191379
前記第1係数及び前記第2係数は、前記制御電極端子と前記第2電極端子との間に印加される制御電圧、及び、温度に依存する第3関数で表される
請求項5に記載のシミュレーション方法。
The said 1st coefficient and the said 2nd coefficient are represented by the 3rd function depending on the control voltage applied between the said control electrode terminal and the said 2nd electrode terminal, and temperature. Simulation method.
前記第3関数の変数は、前記制御電圧であり、
前記第3関数の第3係数は、前記温度を変数とする第4関数で表され、
前記第1係数及び前記第2係数を決定するステップでは、
前記第4関数の第4係数を決定することで、前記第1係数及び前記第2係数を決定する
請求項6に記載のシミュレーション方法。
The variable of the third function is the control voltage,
The third coefficient of the third function is represented by a fourth function having the temperature as a variable,
In the step of determining the first coefficient and the second coefficient,
The simulation method according to claim 6, wherein the first coefficient and the second coefficient are determined by determining a fourth coefficient of the fourth function.
前記第1係数及び前記第2係数を決定するステップでは、
(i)前記第1関数及び前記第2関数を前記実測値にフィッティングすることで、前記制御電圧毎に前記第1係数及び前記第2係数を決定するステップと、(ii)前記第3関数を、前記制御電圧毎に決定された第1係数及び第2係数にフィッティングすることで、前記第3係数を決定するステップとを、前記温度毎に実行することで、前記温度毎に前記第3係数を決定し、
前記第4関数を、前記温度毎に決定された第3係数にフィッティングすることで、前記第4係数を決定する
請求項7に記載のシミュレーション方法。
In the step of determining the first coefficient and the second coefficient,
(I) determining the first coefficient and the second coefficient for each control voltage by fitting the first function and the second function to the measured value; and (ii) changing the third function to The step of determining the third coefficient by fitting to the first coefficient and the second coefficient determined for each control voltage is performed for each temperature, so that the third coefficient is determined for each temperature. Decide
The simulation method according to claim 7, wherein the fourth coefficient is determined by fitting the fourth function to a third coefficient determined for each temperature.
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