超高压4H-SiC GTO晶闸管的结构优化设计

摘要

虽然Si晶闸管已成功应用多年，但是它的耐压和dv/dt、di/dt耐量已逐渐逼近Si材料的物理极限，仅依靠Si晶闸管的结构设计和制造工艺的优化来进一步提高单个晶闸管的耐压潜力已十分有限。随着SiC体材料的发展成熟，以SiC材料替代常规的Si材料，开发SiC晶闸管越来越引起人们的关注。为此，本文采用软件仿真方法，以20kVSiC门极可关断晶闸管（GTO）为例，开展超高压SiCp～GTO晶闸管结构设计与优化研究工作，研究器件的开通机制以及温度和少子寿命对器件性能的影响。主要研究内容和结论为：
　　1.进行了20kVSiCGTO晶闸管的设计和优化。采用n+-SiC衬底外延形成的p/n/p/p/n穿通型器件结构进行优化，优化结果为，p长基区的浓度和厚度分别为2×1014cm-3和160μm；p长基区和衬底间p+缓冲层的浓度和厚度分别为5×1017cm-3和1.5μm其他外延层结构参数分别为：p+发射区（浓度5×1019cm-3，厚度3.0μm，横向长度30μm）、n-短基区（浓度2×1017cm-3，厚度1.5μm）和n+衬底（浓度2×1019cm-3，厚度350μm）。
　　2.研究了碳化硅GTO晶闸管的开通过程。与硅GTO晶闸管的扩展时间远远大于延迟时间不同，碳化硅GTO晶闸管的延迟时间和扩展时间属于同一纳秒数量级；SiCGTO晶闸管的扩展速度（1.64×104cm/s）远大于硅GTO晶闸管的扩展速度（1×104cm/s），约为1.64倍；SiCGTO晶闸管的扩展是受漂移和扩散共同作用的。
　　3.完成了温度、寿命对SiCGTO晶闸管特性影响的研究。温度升高，碳化硅GTO晶闸管的正向阻断电压略微下降，而且在600K的高温下依然处于正向阻断模式，无自触发现象。温度从300K升高到600K，正向压降（@IAK=100A/cm2）约降低0.42V。温度从300K升高到500K，开通时间降低约38ns，关断时间增加约78ns。常温下，长基区的少子寿命由1μs增加到5μs，正向压降降低显著，当少子寿命大于5μs后，正向压降基本不变；因此，对于20kVSiCGTO晶闸管，要获得较低的正向压降，长基区少子寿命应不低于5μs。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2 4H-SiC GTO晶闸管国内外研究进展

1.3 4H-SiC GTO晶闸管面临的问题

1.4 论文的主要研究内容及论文结构安排

2 4H-SiC GTO晶闸管的结构及工作原理

2.1 4H-SiC材料特性

2.2 4H-SiC GTO晶闸管的结构特点

2.3 4H-SiC GTO晶闸管的工作机理

2.4 4H-SiC GTO晶闸管结构参数特性分析

2.5 本章小结

3 4H-SiC GTO晶闸管结构设计

3.1 物理模型选取

3.2 结构设计

3.3 本章小结

4 4H-SiC GTO晶闸管的主要特性研究

4.1 静态特性

4.2 动态特性

4.3 温度对4H-SiC GTO晶闸管的影响

4.4 寿命对导通特性的影响

4.5 本章小结

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

硕士学习期间所发表的论文