4H-SiC BJT功率器件新结构与特性研究

摘要

碳化硅（SiC）是第三代半导体材料的典型代表，也是目前晶体生长技术和器件制造水平最成熟、应用最广泛的宽禁带半导体材料之一，是高温、高频、抗辐照、大功率应用场合下理想的半导体材料。在功率半导体器件领域，具有高功率和高温可靠性的4H-SiC BJT器件是极具潜力的竞争者，可以广泛应用于军事及民用设备的功率电子系统领域。然而SiC BJT器件低共发射极电流增益增加了器件的功耗，低击穿电压制约了器件的应用范围，表面陷阱效应退化器件的性能影响了工作稳定性，制约了其进一步的发展。本文对4H-SiC BJT的器件性能进行研究，提出基区场增强埋层结构以提高器件的电流增益以及外延型结终端结构以提高器件的击穿电压；建立了4H-SiC BJT界面态分布模型以研究陷阱效应；并进行了4H-SiC BJT器件电热特性的研究。同时本文也对4H-SiC SBD阶梯场板的终端结构和硅基高热稳定性双极BJT-BSIT组合器件进行了实验研究。主要创新工作包括：
　　 ⑴提出4H-SiC BJT器件基区埋层新结构。该结构通过基区增加浮空N埋层引入新的pn结，从而在基区内部产生增强的内建电场。在内建电场的作用下，基区对少数载流子的输运能力得到明显增强，基区复合电流减小，集电极电流提高，基区输运系数提高，从而电流增益明显提高。同时，N埋层还可以辅助调制表面电场，提高器件的击穿电压。数值分析结果表明，通过优化设计埋层的结构，新结构的最大电流增益相比普通结构提高了108％，而且具有较高的击穿电压和较好的工艺兼容性。
　　 ⑵提出4H-SiC BJT界面态分布模型。在禁带中采用指数函数的界面态分布模型对4H-SiC BJT的表面陷阱进行二维数值仿真分析，仿真结果与实验数据能够很好的吻合。对表面陷阱效应物理机理的研究表明，外部基区表面费米能级的钉扎导致了表面能带的向下弯曲形成了电子的势阱，从而大量电子在表面被俘获形成了表面电子复合电流沟道。基区的表面复合电流是基极电流的重要组成部分，也是引起电流增益退化的重要原因。同时，陷阱效应使器件表面电荷散射增强，降低了器件的迁移率，导通电阻明显提高。
　　 ⑶具有表面电荷调制效应的两类新型终端结构：①提出4H-SiC BJT器件外延型结终端新结构。该结构将常规的离子注入型JTE（Junction Termination Extension）结构用外延的方式来实现，消除了注入结严生的曲率效应。同时在外延JTE终端的不同位置注入FFLRs（Floating Field LimitingRings），平衡了主结边缘和JTE末端所需的杂质剂量不同的矛盾，使器件表面电场分布均匀，实现了击穿电压达到1570V的SiC BJT。新结构与优化后的常规FFLRs和JTE终端结构相比，击穿电压分别提高了39％和20％。此外，该结构不仅与常规SiC BJT工艺相兼容而且可以省去常规工艺中结终端的制作，简化了4H-SiC BJT的工艺步骤，降低了制作成本；②提出4H-SiC SBD器件阶梯场板新结构。基于国内目前SiC工艺加工平台，在常规SiC SBD场板实验和关键工艺的基础上，设计了阶梯型场板、阶梯型场板组合JTE以及槽型阶梯场板组合JTE的三种新型SiC SBD场板结构。三种结构通过刻蚀形成主结与场板末端不同的氧化层厚度，后两种结构增加了JTE结构辅助调制表面电荷，使表面峰值电场分布均匀。数值仿真优化后的三种新结构相比实验获得的最高1300V击穿电压的普通场板结构，击穿电压分别提高了15％、23％和92％。在仿真分析的基础上，对三种结构进行了工艺流程和器件版图的设计，并进行了工艺实验。
　　 ⑷器件的电热稳定性研究，包括4H-SiC BJT和硅双极BJT-BSIT（BipolarStatic Induction Transistor）组合器件。本文对4H-SiC BJT高、低温工作温度下的电热特性（静态和开关特性）进行了研究。数值仿真结果表明，高温下基区的受主杂质电离率提高，使发射极注入效率降低，降低了器件的电流增益；电子迁移率的降低提高了器件的比导通电阻；碰撞电离率的降低提高了器件的击穿电压。并且高温下器件的开关时间增加，开关损耗显著提高。同时，本文提出了硅基高热稳定性双极BJT-BSIT组合器件电热解析模型并进行了实验研究。首次从理论上建立了一种具有较好电流增益温度系数的双极BJT-BSIT组合器件在小电流应用下电流增益的温度模型，提出了BJT-BSIT组合器件的最佳温度匹配因子ξ，以指导器件的优化设计。流片后的测试表明BJT-BSIT组合器件的电流增益高温变化率在1367ppm/℃以内，低温变化率在2013ppm/℃以内。该结果小于普通硅基BJT的电流增益变化率7000ppm/℃，表明BJT-BSIT组合器件可以有效地实现温度补偿的效果。