超高压4H-SiC PiN二极管的设计及其特性研究

摘要

以第三代宽禁带半导体碳化硅(silicon carbide,SiC)材料为衬底而制作成的PiN功率二极管器件,因其高击穿电压、高开关速度以及低正向导通电阻等优良性能,正在超高压功率器件领域崭露头角.然而国内目前的超高压SiC功率器件尚处于发展阶段,其设计研制相对还不成熟.在此情况下,本论文基于SiC材料,设计研制了一款超高压PiN功率二极管器件,通过计算机二维仿真技术对其结构进行了优化,并结合国内现有实验平台进行了流片实验及测试,旨在为国内后续的超高压SiC功率器件研究提供一个参考思路. 本文首先介绍了SiC PiN二极管的正向及反向工作原理.然后,基于Silvaco Technology Computer Aided Design(TCAD)仿真软件,对其中经常用到的关键物理模型,诸如迁移率模型,载流子复合模型以及碰撞电离模型进行了概述,为后文的器件结构设计打下基础. 第二,本文通过文献调研,进行了超高压SiC PiN二极管元胞的关键参数(漂移区厚度、漂移区浓度)的设计.为了实现10kV以上的耐压,本文还在二维仿真结果的指导下分别设计了结终端扩展(Junction Termination Extension,JTE)、场限环(Field Limiting Ring,FLR)、复合型终端等多种终端结构,并研究了不同终端技术中的关键参数对器件击穿电压的影响.为了模拟实际器件特性,还讨论了SiO2/SiC界面电荷对于击穿特性的影响.之后经过分析和优化,设计出了具有宽剂量窗口的复合型终端结构,提高了工艺容差. 最后,进行了超高压SiC PiN二极管的实验研究.本文基于国内现有实验条件,确定了超高压SiC PiN二极管的工艺流程,完成了版图设计工作,经过流片实验过程,之后对流片得到的器件进行了正向导通特性及反向阻断能力测试.测试结果表明:本次实验所制备的超高压SiC PiN二极管在室温下的正向电流IF>6A,器件的正向导通压降VF=3.6V@100A/cm2.反向阻断电压BV=10kV时,器件的反向泄漏电流IR<1μA,实现了此次超高压SiC PiN二极管的关键技术指标.

目录

声明

第一章 绪论

1.1 SiC材料简介

1.2超高压4H-SiC PiN二极管的发展现状

1.3超高压4H-SiC PiN二极管的研究意义

1.4 论文主要内容

第二章 SiC PiN二极管基本理论与仿真物理模型

2.1 功率半导体器件耐压理论

2.1.1 雪崩击穿

2.1.2 齐纳击穿

2.1.3 热击穿

2.2SiC PiN二极管正向工作原理

2.3SiC PiN二极管反向工作原理

2.4 仿真物理模型

2.4.1 迁移率模型

2.4.2 载流子复合模型

2.4.3 碰撞电离模型

2.5 本章小结

第三章 超高压4H-SiC PiN二极管结构设计

3.1 超高压SiC PiN元胞结构设计

3.1.1超高压4H-SiC PiN二极管元胞基本结构

3.1.2载流子寿命对超高压4H-SiC PiN二极管正向特性的影响

3.1.3超高压4H-SiC PiN二极管P+掺杂浓度对其正向特性的影响

3.2 终端结构设计

3.2.1平面器件曲率效应

3.2.2场限环

3.2.3结终端扩展

3.2.4复合型终端结构

3.3 SiC/SiO2界面电荷对器件击穿特性的影响

3.4 本章小结

第四章超高压4H-SiC PiN二极管实验研究

4.1超高压4H-SiC PiN二极管工艺流程

4.2超高压4H-SiC PiN二极管版图设计

4.3超高压4H-SiC PiN二极管实验结果与测试分析

4.3.1正向导通特性

4.3.1 反向阻断特性

4.4本章小结

第五章 总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果