4H-SiC载流子寿命增强方法研究

发布时间：2018-03-20 07:32

本文选题：4H-SiC　切入点：C(碳)离子注入　出处：《西安电子科技大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：目前,SiC双极器件在超高压(UHV)功率器件领域的应用还存在一个热点问题,即SiC材料的载流子寿命问题。4H-SiC材料由于具有大的禁带宽度,高的击穿电场以及高的热导率等优点被广泛应用到高温、高压以及大功率半导体器件的制备当中。在4H-SiC双极器件中,漂移层的电导调制效应决定了器件的正向压降,并且强烈的依靠于漂移层的载流子寿命,即4H-SiC材料寿命越长,其电导调制效应越大。而在4H-SiC材料中限制载流子寿命的主要缺陷为Z_(1/2)深能级陷阱。因此,为了使得超高压双极器件具有更小的开态损耗和更低的正向压降,降低4H-SiC材料中深能级陷阱Z_(1/2)从而相应的增强其载流子寿命就变得越来越重要。目前国内外比较常用的降低4H-SiC材料的主要寿命限制缺陷Z_(1/2),即增强4H-SiC材料寿命的技术手段有:C(碳)或Si(硅)离子注入、高温热氧化以及表面钝化处理等。本文主要采用C(碳)离子注入技术手段,即对NPP结构的4H-SiC外延片进行C(碳)离子注入,并使用DLTS(深能级瞬态谱)研究了C(碳)离子注入对4H-SiC材料中寿命限制缺陷的影响,且进一步制备了外延层经过C(碳)离子注入的4H-SiC PiN二极管,通过其正反向特性研究了4H-SiC外延材料寿命增强后的PiN二极管的特性。本文主要从以下几个方面进行了展开研究:首先,通过Silvaco半导体仿真软件对实验中C(碳)离子注入的能量和剂量进行了仿真设计。仿真结果显示,本次实验的C(碳)离子注入的最佳条件为:500℃条件下,C(碳)离子注入的能量和剂量最佳组合分别为80keV,5×1014cm-2和120keV,9×1014cm-2,其中注入掩膜层SiO2的厚度为0.2um。其次,通过DLTS(深能级瞬态谱)对加C(碳)离子注入的4H-SiC二极管样品进行测试分析,结果表明,通过C(碳)离子注入的4H-SiC外延片其主要寿命限制缺陷Z_(1/2)的浓度显著降低,且很大程度上表明了半导体材料中载流子寿命的增强。最后,研究了寿命增强后的4H-SiC PiN二极管的正反向性能。从正向I-V(电流-电压)特性可以得出,经过碳离子注入的PiN二极管的正向电压在3.3V左右,比未经碳离子注入的PiN二极管低得多。经过碳离子注入的PiN二极管的差分导通电阻为4.38mΩ·cm2@100A/cm2,比未经碳离子注入的PiN二极管降低了大约50%。对经过碳离子注入的PiN二极管,测得了其温度从25℃变化到180℃时的正向特性,从测试结果可以看出,PiN二极管的正向压降随着温度的升高而减小。从反向I-V(电流-电压)特性可以看出,经过碳离子注入处理的二级管样品的反向漏电也明显有所下降。从器件的反向击穿特性曲线得出C离子注入对4H-SiC PiN二极管的反向耐压几乎没有影响,最后,通过对寿命增强后的4H-SiC PiN二极管的反向恢复特性进行仿真,结果表明载流子寿命越长,对应的二极管的反向恢复时间就越长。因此,我们可以得出,降低4H-SiC外延材料中的Z_(1/2)深能级缺陷可以显著地提高其载流子寿命,并且进一步可以使得4H-SiC PiN二极管正反向特性得到改善,从而可以进一步说明C(碳)离子注入对于优化4H-SiC外延材料与改善相应的4H-SiC PiN管性能有很大的积极意义。
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【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】：2015
【分类号】：TN304.24

【参考文献】