超高压4H-SiC MOSFET器件设计及关键工艺研究

摘要

碳化硅（SiC）器件由于具有高压大电流、高频低功耗等优势，显著推动了电力设备高效低能耗及轻量小型化的发展，从而备受关注。尤其在超高压应用领域，碳化硅器件可以替代传统硅（Si）器件，并且无需复杂的串并联结构，减少了系统元器件数目，简化了电路拓扑结构，提高了电能转换效率。 本文旨在研制击穿电压10kV以上的超高压4H-SiC MOSFET器件。首先，通过理论计算与仿真验证确定了选用的外延材料厚度及掺杂浓度，紧接着对元胞结构的主要参数进行了仿真优化，确保所选用的参数条件满足超高压器件设计要求。 为了满足超高耐压的设计目标，本文提出了多区调制场限环技术，通过仿真优化设计确认了新结构的最优化参数，并且比较了新结构与传统结构在阻断特性、剂量窗口及电荷敏感度等方面的特性。 之后，对超高压SiC MOSFET研制过程中的关键工艺技术进行了研究，对4H-SiC MOSFET刻蚀工艺及欧姆接触工艺的难点问题进行了分析。通过对关键工艺技术的研发，获得了满足工艺需求精度的刻蚀工艺以及比接触电阻率为10e-5Ω·cm2的良好N型欧姆接触。 最后，基于国内碳化硅流片工艺平台，完成阻断电压10kV以上的超高压4H-SiC MOSFET器件的流片与测试工作。测试结果表明，应用了多区调制场限环终端技术的4H-SiC MOSFET耐压达到了13.6kV，终端效率为95%，相比传统等距环结构，击穿电压提高了40%，证实了新结构在击穿电压效率上的提升。 本论文通过开展超高压4H-SiC MOSFET器件的仿真设计、工艺开发、流片实验及测试工作，为国内超高压4H-SiC MOSFET器件的研究提供了一定的参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 碳化硅材料介绍

1.2.1 研究意义

1.2.2 研究现状

1.3 本文主要工作

第二章SiC MOSFET器件基础理论

2.1SiC MOSFET基本工作原理

2)导通特性

3)阻断特性

2.2 SiC功率器件曲率效应

2.3 SiC功率器件典型终端技术

2.4 本章小结

第三章超高压4H-SiC MOSFET器件结构设计

3.1超高压4H-SiC MOSFET元胞结构设计

3.2超高压4H-SiC MOSFET终端结构设计

3.2.1 传统场限环技术的局限性

3.2.2 多区调制场限环技术

3.3 本章小节

第四章超高压4H-SiC MOSFET的关键工艺研究

4.1 刻蚀工艺

4.1.1 刻蚀工艺简介

4.1.2 氧化物刻蚀

4.1.3 碳化硅刻蚀

4.2 欧姆接触

4.2.1 欧姆接触简介及难点分析

4.2.2 比接触电阻率测试

4.3 本章小结

第五章超高4H-SiC MOSFET实验及测试

5.1 版图设计及工艺流程

5.2 测试结果及分析

5.3 本章小节

第六章 全文总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果