功率4H-SiC UMOSFET结构设计与数值仿真

摘要

第三代半导体材料碳化硅(SiC)之所以能够成为在高温、高辐射、高压、高频等条件下应用的候选材料之一，是因为其优越的物理特性（宽禁带、高击穿电场强度、高的电子饱和速度、高导热系数等）。4H-SiC UMOSFET器件以其更低的特征导通电阻和高的电流密度被广泛的应用于功率电力电子系统设备当中。然而，4H-SiC UMOSFET器件由于槽栅拐角处电场的集中效应使其容易发生栅氧击穿，近而使得器件性能严重退化。一种p+-SiC屏蔽区4H-SiC UMOSFET结构有效的保护了槽栅氧化层，减弱了器件栅槽底部拐角处电场的集中效应，改善了器件的栅氧可靠性。然而，该结构也带来了器件特征导通电阻的增加，使得器件的导通损耗急剧上升。本文基于p+-SiC屏蔽区4H-SiCUMOSFET器件的特征导通电阻较大的缺点，研究了三种能够降低器件特征导通电阻的新型4H-SiC UMOSFET器件结构，并对这三种器件结构的性能进行了仿真研究及讨论。
　　1.研究了一种横向p/n区交替缓冲层的4H-SiC UMOSFET结构。该结构的特点是在栅槽下方一定距离处引入一横向p/n区交替排列的缓冲层。在关态下，该横向p/n区交替缓冲层有效的降低了栅氧化层电场，提高栅氧可靠性。在开态下，该横向p/n区交替缓冲层与p型体区距离较远，有效的削弱了JFET电阻的影响，降低了器件的特征导通电阻。同时，该新结构器件栅槽中还引入了pn结，降低了器件的栅漏电容，实现了器件的栅电荷特性并没有严重退化。另外，还仿真研究了横向p/n区交替缓冲层的关键参数(p区宽度(W)，p区掺杂浓度(NAp)以及n区掺杂浓度(NDn））对该器件的电学特性的影响。
　　2.研究了一种p型突出屏蔽区4H-SiC UMOSFET结构。该结构有两个特点:(1)p型突出屏蔽区位于p型体区下方，能够有效保护栅氧可靠性的同时还可以去除p+-SiC屏蔽区结构中存在的寄生JFET电阻，有效的降低了器件导通电阻。(2)器件结构表面还存在一层p+-polySi区，该区与漂移区形成polySi/n-SiC异质结二极管，其具有肖特基特性和较低的导通压降，有效的改善了器件的反向恢复特性。另外，还仿真研究了p型突出屏蔽区的关键参数（p型突出屏蔽区宽度（Ws）和长度(Ls））对该器件的电学特性的影响。
　　3.研究了一种p+-polySi/SiC屏蔽区4H-SiC UMOSFET结构。该结构的特点是利用polySi/SiC异质结内建势低的特点，改善了p+-SiC屏蔽区4H-SiC UMOSFET器件特征导通电阻大的缺点，同时该结构的击穿电压基本不变。该p+-polySi/SiC屏蔽区位于器件槽栅底部能有效的保护栅氧化层，同时还与漂移区形成了p+-polySi/n-SiC异质结二极管改善了器件的反向恢复特性。另外，还仿真研究了p+-polySi/SiC屏蔽区的关键参数(polySi区的厚度(LpolySi)与SiC区的厚度(LSiC）之比）对该器件的电学特性的影响。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究目的

1．2碳化硅材料结构与特性

1．2．1碳化硅晶体结构

1．2．2碳化硅物理特性

1．3 SiC UMOSFET的研究进展

1．4本文的主要研究内容

第2章4H-SiC UMOSFET结构及工作机理

2．1 4H-SiC UMOSFET基本结构与工作原理

2．2 4H-SiC UMOSFET电学特性参数

2．2．1阈值电压

2．2．2导通电阻

2．2．3击穿电压

2．2．4反向恢复特性

2．2．5栅电荷特性

2．3本章小结

第3章p／n交替缓冲层4H-SiC UMOSFET

3．1 p／n交替缓冲层4H-SiC UMOSFET结构原理与参数

3．2 p／n交替缓冲层4H-SiC UMOSFET电学特性仿真与分析

3．2．2 p／n交替缓冲层4H-SiC UMOSFET关态特性

3．2．3 p／n交替缓冲层4H-SiC UMOSFET栅电荷特性

3．3 p／n交替缓冲层4H-SiC UMOSFET优值及参数优化

3．3．2 p／n交替缓冲层4H-SiC UMOSFET关键参数优化

3．4 p／n交替缓冲层4H-SiC UMOSFET结构工艺步骤

3．5本章小结

第4章P型突出屏蔽区4H-SiC UMOSFET

4．2 P型突出屏蔽区4H-SiC UMOSFET电学特性仿真与分析

4．2．1 P型突出屏蔽区4H-SiC UMOSFET开态特性

4．2．2 P型突出屏蔽区4H-SiC UMOSFET关态特性

4．2．3 P型突出屏蔽区4H-SiC UMOSFET反向恢复特性

4．3 P型突出屏蔽区4H-SiC UMOSFET优值及参数优化

4．3．2 P型突出屏蔽区4H-SiC UMOSFET关键参数优化

4．4 P型突出屏蔽区4H-SiC UMOSFET结构工艺步骤

4．5本章小结

第5章p+-polySi／SiC屏蔽区4H-SiC UMOSFET

5．2 p+-polySi／SiC屏蔽区4H-SiC UMOSFET电学特性仿真与分析

5．2．1 p+-polySi／SiC屏蔽区4H-SiC UMOSFET开态特性

5．2．2 p+-polySi／SiC屏蔽区4H-SiC UMOSFET关态特性

5．2．3 p+-polySi／SiC屏蔽区4H-SiC UMOSFET反向恢复特性

5．3 p+-polySi／SiC屏蔽区4H-SiC UMOSFET优值及参数优化

5．3．2 p+-polySi／SiC屏蔽区4H-SiC UMOSFET关键参数优化

5．4 p+-polySi／SiC屏蔽区4H-SiC UMOSFET结构工艺步骤

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢