基于4H-SiC PiN的桥式整流器关键工艺与高温特性研究
发布时间：2020-07-10 15:10
【摘要】：现今,在核能,冶金,化工,航空航天等很多行业中电子设备在运行过程必须面临高温工作环境。高温工作环境对电子设备稳定性提出了较高的要求,为了实时监测电子设备的工作状态,避免随时发生的波动、失效等状况,工业上必须对电子传感器的参数进行监测。因此,研究可以适应高温环境的电路单元尤为必要。桥式整流器电路常用于将交流电路输出的低电压交流电转变为单向脉动性直流电,它在直流电机调速、发电机励磁调节以及电镀等众多领域有着广泛应用。本文的目标为研究能在500℃、220V、50Hz条件下正常工作的桥式整流器。利用SOI技术可以将Si半导体的电子元件最高工作温度提升至200 ℃,但是相比于航天、钻探等领域对高温的需求还有很大的差距。SiC相比于Si材料,在热导率、本证载流子浓度等方面有着更好的特性,这使得SiC器件比Si材料器件的理论工作温度上限更高(～1000℃),本文利用4H-SiC对桥式整流器进行了设计,以期能达到目标要求。除此之外,最大的挑战在于制备热稳定的欧姆接触,本文提出了两种同时形成N型和P型的耐高温欧姆接触方案,并且可以稳定工作在空气环境下。1、本文对组成桥式整流器的PiN单元进行了设计。按照桥式整流器能适应500℃、220V、50Hz工作条件的目标,依据对PiN二极管的仿真结果,确定了各外延层的厚度与掺杂浓度。简单分析了器件的三种热失效机制对器件的影响。2、本文提出了一种可以同时制备N型和P型的耐高温欧姆接触多层金属组合方案:Pt/TaSi2/W/Ni/SiC,经975℃、1min退火测得N、P型欧姆接触比接触电阻分别为4.0×10-4 Q·cm2和1.3×10-3 Q·cm2。在500℃、空气氛围中做300h老化测试过程中每50h进行一次测试,结果显示结构的比接触电阻值基本维持不变。扫描电镜(SEM)图像显示金属表面在300h老化之后仍然稳定、平滑。经AES分析得知Pt/TaSi2/W/Ni/SiC结构在500℃空气环境中保持良好的热稳定性的原因在于,阻挡层TaSi2/Pt在退火过程中合金生成的二元物相Pt2Si起到了阻挡O原子向SiC界面扩散的作用,以及W的抗氧化作用,使得欧姆接触金属/SiC界面层的质量在老化实验过程中不被影响。3、针对Pt/TaSi2/W/Ni/SiC方案P型比接触电阻值较低的情况,提出了多层金属方案Pt/TaSi2/Al/Ti/Ni/SiC来进行优化。实验分析认为N型Pt/TaSi2/Al/Ti/Ni/SiC形成欧姆接触的临界温度为950℃,经950℃快速退火后提取的N型和P型比接触电阻值分别为2.3×10-4 Q·cm2和1.2×10-4 Q·cm2。退火过程中P型结构比接触维持稳定,n型结构比接触电阻逐步增大。经800℃退火后的P型比接触电阻为4.3×10-5Q·cm2,且在退火过程中比接触电阻与表面结构都表现良好。本文认为,由于不同类型材料势垒的差别,形成欧姆接触需要不同的退火温度,为了在同等条件下制备欧姆接触,本实验里Al的比例需要严格控制,过多是造成样品退化的主要原因,过少是为N、P型材料未同时生成良好欧姆接触的主要原因。Ni/Ti/Al比例为3:1:3时结果相对较好,而更严格的比例数据需要进一步的实验数据补充。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM461
【图文】：
因此，研究可以适应高温环境的电路单元尤高温工况条件的传感器以适应以上需求。逡逑器件以及集成电路的最高工作环境温度为１２５°Ｃ，航空航天发动机监控系统、原子能发电站控制装备等方面需要的研究开发环境达到５００°Ｃ甚至更料来实现这一目标。４Ｈ－ＳｉＣ材料由于宽禁带、选材料，为新技术的研发也提供了良好的基础１４］氋温应用优势逡逑步，硅（Ｓｉ）材料功率器件的结构设计和制造工艺决定的理论极限束缚了邋Ｓｉ基器件的发展，因此，功率器件实现更大的跨越很难实现。而以碳化材料，拥有良好的物理、电学特性。这为功率。逡逑
应用、高温可靠性方面的研究取得了一些不错的进展。２００７年，ＴｓｕｙｏｓｈｉＦｕｎａｋｉ等人逡逑对串联电阻特性受温度影响的实验进行了总结报道［１８］。２００８年，Ｐｈｉｌｉｐ邋Ｇ．Ｎｅｕｄｅｃｋ等逡逑人基于ＳｉＣ邋ＪＦＥＴ制作的差分放大器展现了优秀的电学特性与高温稳定性［１３］，如图１．２逡逑与图１．３所示。在５００°Ｃ、空气条件下持续老化３０００小时，电路单元的跨导、饱和漏逡逑源电流等电学特性退化不足１０％。２０１２年，Ｃｈｉａ－ＷｅｉＳｏｏｎｇ等人基于ＳｉＣＪＦＥＴ所制逡逑作的电路单元：反相器、与非门、或非门在５５０°Ｃ条件下展现了良好的电学特性［１１逡逑２０１６年，Ｌｉａｎｇ－Ｙｕ邋Ｃｈｅｎ等人所报道的利用陶瓷封装基于ＭＥＳＦＥＴ的５００°Ｃ低频交流逡逑电压放大器做了邋４３０小时的老化试验，５００摄氏度、１００Ｈｚ时X椧嫖罚郏玻牵荨？杉樱椋缅义喜牧咸匦晕樱椋酶呶缕骷难绣炒蛳铝嘶。⑶遥樱椋貌牧细呶缕骷笛槭倚匝芯恳彦义暇〉昧艘欢ń埂ｅ义希茫蓿危矗裕卞危ǎ蓿辏铮椋裕椋恚穑椋幔睿裕╁义稀慑澹担澹靛危靛澹澹担湾危停蕖簟义希疱澹澹簦穑邋澹煎澹插澹劐澹保埃薄辏澹叮稿澹穑礤义希穑澹簦穑邋澹澹保埃保樱哄澹卞澹穑礤义希ǎ幔╁澹叮龋樱椋缅澹疱澹簦穑邋澹鳎幔妫澹颍澹矗埃板澹穑礤危撸耄猓╁五五巍鲥澹慑义贤迹保步嵝统⌒в骞埽ǎ幔┖峤孛媸疽馔迹ǎ猓┕庋晕⒄掌义希殄澹蝈濉诲濉觥板澹皱澹蝈
本文编号：2749085
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM461
【图文】：
因此，研究可以适应高温环境的电路单元尤高温工况条件的传感器以适应以上需求。逡逑器件以及集成电路的最高工作环境温度为１２５°Ｃ，航空航天发动机监控系统、原子能发电站控制装备等方面需要的研究开发环境达到５００°Ｃ甚至更料来实现这一目标。４Ｈ－ＳｉＣ材料由于宽禁带、选材料，为新技术的研发也提供了良好的基础１４］氋温应用优势逡逑步，硅（Ｓｉ）材料功率器件的结构设计和制造工艺决定的理论极限束缚了邋Ｓｉ基器件的发展，因此，功率器件实现更大的跨越很难实现。而以碳化材料，拥有良好的物理、电学特性。这为功率。逡逑
应用、高温可靠性方面的研究取得了一些不错的进展。２００７年，ＴｓｕｙｏｓｈｉＦｕｎａｋｉ等人逡逑对串联电阻特性受温度影响的实验进行了总结报道［１８］。２００８年，Ｐｈｉｌｉｐ邋Ｇ．Ｎｅｕｄｅｃｋ等逡逑人基于ＳｉＣ邋ＪＦＥＴ制作的差分放大器展现了优秀的电学特性与高温稳定性［１３］，如图１．２逡逑与图１．３所示。在５００°Ｃ、空气条件下持续老化３０００小时，电路单元的跨导、饱和漏逡逑源电流等电学特性退化不足１０％。２０１２年，Ｃｈｉａ－ＷｅｉＳｏｏｎｇ等人基于ＳｉＣＪＦＥＴ所制逡逑作的电路单元：反相器、与非门、或非门在５５０°Ｃ条件下展现了良好的电学特性［１１逡逑２０１６年，Ｌｉａｎｇ－Ｙｕ邋Ｃｈｅｎ等人所报道的利用陶瓷封装基于ＭＥＳＦＥＴ的５００°Ｃ低频交流逡逑电压放大器做了邋４３０小时的老化试验，５００摄氏度、１００Ｈｚ时X椧嫖罚郏玻牵荨？杉樱椋缅义喜牧咸匦晕樱椋酶呶缕骷难绣炒蛳铝嘶。⑶遥樱椋貌牧细呶缕骷笛槭倚匝芯恳彦义暇〉昧艘欢ń埂ｅ义希茫蓿危矗裕卞危ǎ蓿辏铮椋裕椋恚穑椋幔睿裕╁义稀慑澹担澹靛危靛澹澹担湾危停蕖簟义希疱澹澹簦穑邋澹煎澹插澹劐澹保埃薄辏澹叮稿澹穑礤义希穑澹簦穑邋澹澹保埃保樱哄澹卞澹穑礤义希ǎ幔╁澹叮龋樱椋缅澹疱澹簦穑邋澹鳎幔妫澹颍澹矗埃板澹穑礤危撸耄猓╁五五巍鲥澹慑义贤迹保步嵝统⌒в骞埽ǎ幔┖峤孛媸疽馔迹ǎ猓┕庋晕⒄掌义希殄澹蝈濉诲濉觥板澹皱澹蝈
本文编号：2749085
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