SiC VDMOS器件结构设计及界面陷阱效应研究

摘要

碳化硅（SiC）材料因其禁带宽度大、临界击穿电场高、载流子饱和速度高、热导率高等特点成为制作高频、大功率半导体器件的首选材料。由于 SiC可以直接通过热氧化法生长 SiO2薄层，再结合垂直功率 MOSFET（VDMOS）充分利用纵向厚度耐压及并联承载大电流的优势，成为功率器件领域的热门研究课题之一。
　　然而，由于目前主流仿真软件中的器件相关模型都是针对Si材料设定，使得SiC器件的仿真设计与验证非常困难，因此大大阻碍了产品的研发与商业化进程。
　　本文采用业界常用的Silvaco软件，由SiC半导体电学特性参数入手，对atlas中的载流子迁移率模型、雪崩击穿模型等进行了调整，同时利用由电荷泵测量法得到的SiC/SiO2界面态相关信息，用C-函数编辑器生成界面陷阱连续分布模型。综合以上，以实测SiC VDMOS器件参数为基准，实现了其与仿真数据的较准确拟合，建立了可靠的atlas仿真体系。之后充分利用该平台，由电荷平衡原理入手，对MOS能带结构实施优化，提出并进行了SiC VDMOS新型结构的设计与验证，实现了器件比导通电阻的大幅减小。
　　在 SiC VDMOS工艺制程的难点之一，离子注入工艺方面，本文利用 athena工具，重点采用蒙特卡洛模型优化了 P型体区的多步离子注入工艺，获得了较为理想的结深与掺杂分布，并完成完整器件制造流程的仿真，之后成功利用atlas进行了电学特性验证。
　　最后，本文介绍了电荷泵（charge-pumping）方法在SiC MOSFET界面特性分析中的应用，测试得出平均界面陷阱密度的数值，并且从衬底电流与栅极电压脉冲频率的关系验证了“慢陷阱”机制的存在。
　　本文的工作有助于科研人员构建可靠、有效的 SiC功率器件电学特性及工艺仿真平台，并采用较为精确的方法评估SiC MOSFET界面陷阱问题。另外，还引入了新的器件设计理念，实现了SiC VDMOS性能的大幅提升。

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第一章 绪 论

1.1 SiC功率MOSFET的研究意义

1.2 SiC功率MOS器件的发展现状

1.3 论文选题及工作内容

第二章 4H-SiC VDMOS器件及工艺仿真

2.1 atlas器件物理模型

2.2 界面态问题引入

2.3 atlas器件仿真实例

2.4 SiC VDMOS离子注入工艺

2.5 本章小结

第三章 新型SiC VDMOS结构设计

3.1 器件工作原理

3.2 设计关键要素

3.3 Atlas仿真结果分析

3.4 本章小结

第四章 SiC MOSFET界面陷阱测试及分析

4.1 MOS电容结构中的陷阱电荷

4.2 基于电荷泵（Charge-pumping）测量法的陷阱分析

4.3 本章小结

第五章 结论

5.1 本文的主要贡献

5.2 下一步工作的展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果