碳化硅槽栅MOSFET器件设计及其特性研究

发布时间：2020-10-11 00:40

　　 碳化硅(SiC)材料由于其禁带宽度宽、临界击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度大等优异的材料特性,能够广泛运用于光伏逆变,汽车电子,电力传输等高功率密度领域。SiC沟槽栅(Trench)MOSFET比平面栅MOSFET具有更高的沟道密度和更低的导通电阻,被称为第二代SiC MOSFET器件。本文利用TCAD Silvaco仿真平台,仿真研究了带有N型CS(Current Spreading)Layer和P+屏蔽层的1200V SiC Trench MOSFET(TMOS)基本结构参数,包括器件的漂移区、Pbase区、N型CS Layer层的掺杂浓度和厚度,P+屏蔽层宽度,栅氧化层厚度和槽栅底部氧化层厚度等。在仿真研究基础上,采用4吋SiC外延片进行了流片实验,并对实验结果进行了测试分析。本文首先使用Atlas对SiC Trench MOSFET的静态(包括击穿电压,正向电流密度、阈值电压以及器件击穿时候栅氧化层最大电场)和动态特性(开关时间和开关能量损耗)进行了仿真研究,优化了器件的漂移区、Pbase区、N型CS Layer层的掺杂浓度和厚度,P+屏蔽层宽度,栅氧化层厚度和槽栅底部氧化层厚度等结构参数。在漂移区掺杂浓度和厚度分别为4×10~(15)cm~(-3)、12μm;Pbase掺杂浓度和厚度分别为2×10~(17)cm~(-3)、0.6μm;N型CS Layer层掺杂浓度和厚度分别为1×10~(17)cm~(-3)、0.2μm;栅底部氧化层厚度为0.2μm的条件下,得到Trench MOSFET击穿电压为1740V;器件击穿时栅氧化层最大电场为2.96MV/cm;在保证了栅氧化层的可靠性的前提下,使得开关时间最小,开关损耗最低。其次对流片实验的两组TMOS对比结构(栅槽底部有P+屏蔽层注入结构和无P+屏蔽层注入结构)的反向击穿特性进行了测试和分析。栅槽底部有无P+屏蔽层注入结构的TMOS的反向击穿电压分别为1620V和820V。这是由于无P+屏蔽层注入结构Pbase区发生了穿通,导致击穿电压远远小于有P+屏蔽层注入的TMOS结构。最后对TMOS器件栅槽形貌进行了SEM分析。本次实验刻蚀形成的栅槽底部无微沟槽,同时在沟槽底部拐角处形成有弧度的过渡,减弱了拐角处的电场集中效应,有利于提高SiC TMOS的可靠性。本文通过对1200V SiC TMOS的仿真研究以及流片实验,为后期SiC TMOS的设计、流片及实验提供了参考和前期技术支撑。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN386
【部分图文】：

也是 IV 族元素里边存在的唯一的固态碳化物，图 1-1（a）为 Acheson 工艺[1]最早得到的 SiC 块，图1-1（b）为商业化的 4 英寸和 6 英寸 4H-SiC 晶圆。Si 和 C 原子之间很强的化学键[2]（Si-C 化学键能为 4.6eV）使得 SiC 材料具有很高的硬度、化学稳定性和高的热导率[3]。同时 SiC 作为第三代宽禁带半导体材料，具有很宽的禁带宽度、高的临界击穿电场和高的饱和漂移速率。此外，SiC 材料可以利用热氧工艺形成氧化层，可以很好的与目前成熟的 Si 工艺兼容。以上的这些优良特性，使得 SiC 成为高功率和高温电力器件和系统应用中最具前景的半导体材料之一[4-6]。（a） （b）图 1-1 (a)Acheson 工艺得到的 SiC 块；(b)商业化 4 英寸和 6 英寸 4H-SiC 晶圆

电子科技大学硕士学位论文SiC 材料存在大约 250 种在各种结构及物理特性上相异的结晶形态，即同[7-8]。比较常见的三种结晶形态为 3C-SiC（C（Cubic）代表立方晶系）、4H-SiC（H（Hexagonal）代表着六方晶系），其结构示意图如图 1-2 所示。、B 和 C 表示在六角紧凑结构中可能的占位，3C-SiC 原子的堆垛次ABCABC…，4H-SiC 的堆垛次序是 ABCB...（或 ABCA…），6H-SiC 的为 ABCACBA…[9]。

参数Si GaAs 3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC本征载流子浓度 ni(cm-3)1.5×10101.8×1060.13 1×10-65×10-9禁带宽度 Eg（eV）1.12 1.43 2.36 3.00 3.26相对介电常数 εr11.9 12.5 10 9.7 9.7热导率（W/k·cm）1.5 0.5 4.9 4.9 4.9临界电场 EC（MV/cm）0.3 0.4 1.2 2.4 3.0电子迁移率 μn（cm2V-1s-1）1350 8000 1000 600 1140空穴迁移率 μp（cm2V-1s-1）480 400 40 80 120电子饱和漂移速度（107cm/s）1 2 2 2 2
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本文编号：2835782