大功率碳化硅PiN二极管击穿特性的模拟研究

摘要

与硅材料相比较，第三代宽禁带半导体碳化硅材料具有更高的禁带宽度、更高的热导率和更高的载流子饱和速率，使得碳化硅PiN二极管能够更好地应用于高温、高频和高功率场合。碳化硅PiN二极管具有大正向电流、高击穿电压、低漏电流以及高开关速度等特性。
　　 电场集中效应是造成平面型碳化硅PiN二极管反向击穿电压难以达到p-n结理想击穿电压值的主要原因。平面结终端技术可以有效缓和主结边缘弯曲区域的电场密集，提高击穿电压。
　　 本文围绕如何提高碳化硅PiN二极管的击穿电压开展模拟研究工作，取得的主要成果如下：
　　 ⑴根据碳化硅PiN二极管的工作机理，结合模拟仿真结果，研究了碳化硅PiN二极管的正向特性和开关特性。器件在300K，电流密度为50A/cm时，正向电压降VF大约为2.84V。采用双层p+区结构可以改善器件正向特性，模拟结果显示器件在300K，电流密度为50A/cm2时，正向压降VF大约为2.67V，降低了将近0.2V，有效减少了器件本身的功耗损失。
　　 ⑵针对本文采用的器件结构参数(理论击穿电压约1900V)，不采用任何结终端技术的碳化硅PiN二极管击穿电压只有1200V左右，采用结终端后(场板、场限环和结终端扩展)，击穿电压可以提高到1700V以上。总结了场板参数、场限环参数和结终端扩展参数与器件反向击穿电压的关系。
　　 ⑶研究了场限环辅助场板(FLR+FP)和场板辅助结终端扩展(FP+JTE)这两种复合平面结终端技术。应用场限环辅助场板技术时，场板尖角峰值电场可以得到明显缓解。应用场板辅助结终端扩展技术时，二极管击穿电压约为1750V(无场板辅助时约为1660V)，提高了将近100V。界面电荷会降低二极管的击穿电压，当界面电荷为3×1013cm-2时，击穿电压降低250V；辅以场板(长度为10μm)后，击穿电压只降低100V，证明场板具有抑制界面电荷的作用。提出一种类似JTE结终端技术，模拟结果显示，类JTE技术提高击穿电压能力跟JTE技术相当，但不需要像JTE那样耗费大量的芯片面积。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1碳化硅材料的特性

1.2碳化硅PiN二极管的应用及其研究现状

1.3本文的主要工作

第二章碳化硅PiN二极管的工作机理及材料模型参数

2.1 碳化硅PiN二极管直流伏安特性

2.1.1碳化硅PiN二极管的正向电流特性

2.1.2碳化硅PiN二极管的正向电压特性

2.1.3碳化硅PiN二极管的反向电流特性

2.1.4碳化硅PiN二极管的反向击穿机制

2.2计算机模拟中碳化硅材料的模型与参数

2.3本章小结

第三章碳化硅PiN二极管直流特性的模拟研究

3.1 碳化硅 PiN二极管伏安特性的模拟

3.1.1 数值模拟计算方法

3.1.2碳化硅PiN二极管直流正向特性的模拟

3.1.3碳化硅PiN二极管直流反向特性的模拟

3.2碳化硅PiN二极管开关温度特性的模拟

3.2.1 碳化硅PiN二极管的开关工作原理

3.2.2碳化硅PiN二极管开关特性的温度影响

3.3本章小结

第四章结终端技术改善碳化硅PiN二极管反向特性的研究

4.1单一平面结终端技术的介绍

4.1.1 影响击穿电压的因素

4.1.2平面结终端技术的原理

4.2结终端技术对碳化硅PiN二极管反向特性的改善

4.2.1 场板(FP)技术改善碳化硅PiN二极管的反向特性

4.2.2场限环(FLR)技术改善碳化硅PiN二极管的反向特性

4.2.3 结终端扩展(JTE)技术改善碳化硅PiN二极管的反向特性

4.3复合平面结终端技术

4.3.1场限环辅助场板技术改善碳化硅PiN二极管的反向特性

4.3.2场板辅助结终端扩展技术改善PiN二极管的反向特性

4.3.3特殊复合结终端技术改善碳化硅PiN二极管的反向特性

4.4本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

研究成果