1700V碳化硅MOSFET器件和UIS特性研究
发布时间：2021-02-07 04:13
碳化硅（SiC）材料作为第三代宽禁带半导体材料,以其为衬底制备的金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET）具备优越的性能。然而,在功率转换领域应用中,MOSFET在关断瞬间,外接或寄生的电感存储的能量通过功率器件释放,迫使器件发生雪崩击穿,产生的高压大电流冲击极易造成器件失效。值得注意的是,SiC材料的介电常数约为二氧化硅（SiO2）的3倍,因此在雪崩状态下,MOSFET氧化层承受的电场强度远高于SiC的电场强度,这使栅氧化层面临严峻的可靠性挑战。利用非钳位感性负载下的开关过程（Unclamped Inductive Switching,UIS）可模拟器件在系统应用中所承受的极端电应力情况,可用于评估器件的抗雪崩能力。本文旨在设计一款1700V SiC MOSFET器件,并针对其UIS动态特性进行研究,以提高SiC MOSFET器件的雪崩鲁棒性。本文首先利用半导体数值分析工具Silvaco TCAD设计优化了1700V SiC MOSFET器件元胞结构的物理尺寸参...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
平面型SiCMOSFET元胞示意图[13]
来高界面态密度。此外，SiO2/SiC界面钝化工艺也是获得高质量的介质/半导体材料界面的方式，目前普遍采用的是氮化工艺，即热氧化后的退火是处于含氮的氛围中。氮化技术是目前改善界面态中最为常见的技术[19]，包括Cree和Rohm在MOSFET器件商业化量产中也是采用氮化技术作为钝化工艺。1996年，BaligaB.J改善了平面型MOSFET器件结构，在N+源区和Pbase区下方进行P+注入，形成了P+埋层作为电场的屏蔽结构，可以降低栅氧化层的电场强度[20]。通过合理地设计屏蔽层的宽度可以保持对栅氧化层电场较高的屏蔽能力。（a）（b）（c）图1-2沟槽MOSFET元胞结构示意图。（a）UMOSFET[21]；（b）有P+shield层的UMOSFET[22]；（c）DoubletrenchMOSFET[23]1994年，J.W.Palmour等人首次报道并且制备了SiCUMOSFET，器件消除了
电子科技大学硕士学位论文6Rb上产生一定的压降。当电流增大到一定时，Rb两端的电压大于寄生BJT的开启电压，则寄生BJT导通，电流迅速增大，器件失效。因此，器件具备防止寄生双极型晶体管开启的抗雪崩能力是十分重要的，尤其在实际应用中需要严格的设计。目前已经报道了几种抑制寄生双极型晶体管开启的方法：一种是使用高能离子注入或者采用侧壁工艺来降低N+源下方的P-Base的电阻[25]。然而，在不改变阈值电压的情况下控制掺杂浓度和侧壁的几何形状是相当困难的。另一种方法是将电流的方向从P-Base的弯曲区域转移到P-Base的底部，从而减小N+源区下面的电流，Rb两端的压降也减小了，从而减小了寄生双极型晶体管开启的可能[26]。相比于第一种从工艺角度减小P-Base寄生电阻的方法，设计能够转移电流路径的新结构可以大大降低器件制备的难度。图1-3平面型MOSFET中NPN寄生晶体管原理图[25]2008年，韩国电气工程学院的In-HwanJi等人提出了采用分段沟槽P-body接触的新型功率MOSFET以改善雪崩能量，如图1-4（b）所示。P-body的深沟槽结构改变了击穿点，转移了电流路径，有效地提高了雪崩能量，采用的分段沟槽P-body接触在不牺牲器件其他特性、不增加额外成本的基础上提高了UIS性能。然而，分段的沟槽P-body接触会降低沟槽的连续性和n+源极接触的自对准程度，导致器件具备不均匀的阻断特性和导通特性[27]。图1-4（a）平面型MOSFET；（b）提出的新结构[27]
【参考文献】：
期刊论文
[1]高能离子注入SiC后的离子分布和损伤程度研究[J]. 陈杰,邓二平,赵志斌,郭楠伟,黄永章,杨霏. 智能电网. 2017(08)
[2]宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望[J]. 张波,邓小川,张有润,李肇基. 中国电子科学研究院学报. 2009(02)
硕士论文
[1]4H-SiC UMOS的器件设计与关键工艺研究[D]. 户金豹.电子科技大学 2015
本文编号：3021635
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
平面型SiCMOSFET元胞示意图[13]
来高界面态密度。此外，SiO2/SiC界面钝化工艺也是获得高质量的介质/半导体材料界面的方式，目前普遍采用的是氮化工艺，即热氧化后的退火是处于含氮的氛围中。氮化技术是目前改善界面态中最为常见的技术[19]，包括Cree和Rohm在MOSFET器件商业化量产中也是采用氮化技术作为钝化工艺。1996年，BaligaB.J改善了平面型MOSFET器件结构，在N+源区和Pbase区下方进行P+注入，形成了P+埋层作为电场的屏蔽结构，可以降低栅氧化层的电场强度[20]。通过合理地设计屏蔽层的宽度可以保持对栅氧化层电场较高的屏蔽能力。（a）（b）（c）图1-2沟槽MOSFET元胞结构示意图。（a）UMOSFET[21]；（b）有P+shield层的UMOSFET[22]；（c）DoubletrenchMOSFET[23]1994年，J.W.Palmour等人首次报道并且制备了SiCUMOSFET，器件消除了
电子科技大学硕士学位论文6Rb上产生一定的压降。当电流增大到一定时，Rb两端的电压大于寄生BJT的开启电压，则寄生BJT导通，电流迅速增大，器件失效。因此，器件具备防止寄生双极型晶体管开启的抗雪崩能力是十分重要的，尤其在实际应用中需要严格的设计。目前已经报道了几种抑制寄生双极型晶体管开启的方法：一种是使用高能离子注入或者采用侧壁工艺来降低N+源下方的P-Base的电阻[25]。然而，在不改变阈值电压的情况下控制掺杂浓度和侧壁的几何形状是相当困难的。另一种方法是将电流的方向从P-Base的弯曲区域转移到P-Base的底部，从而减小N+源区下面的电流，Rb两端的压降也减小了，从而减小了寄生双极型晶体管开启的可能[26]。相比于第一种从工艺角度减小P-Base寄生电阻的方法，设计能够转移电流路径的新结构可以大大降低器件制备的难度。图1-3平面型MOSFET中NPN寄生晶体管原理图[25]2008年，韩国电气工程学院的In-HwanJi等人提出了采用分段沟槽P-body接触的新型功率MOSFET以改善雪崩能量，如图1-4（b）所示。P-body的深沟槽结构改变了击穿点，转移了电流路径，有效地提高了雪崩能量，采用的分段沟槽P-body接触在不牺牲器件其他特性、不增加额外成本的基础上提高了UIS性能。然而，分段的沟槽P-body接触会降低沟槽的连续性和n+源极接触的自对准程度，导致器件具备不均匀的阻断特性和导通特性[27]。图1-4（a）平面型MOSFET；（b）提出的新结构[27]
【参考文献】：
期刊论文
[1]高能离子注入SiC后的离子分布和损伤程度研究[J]. 陈杰,邓二平,赵志斌,郭楠伟,黄永章,杨霏. 智能电网. 2017(08)
[2]宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望[J]. 张波,邓小川,张有润,李肇基. 中国电子科学研究院学报. 2009(02)
硕士论文
[1]4H-SiC UMOS的器件设计与关键工艺研究[D]. 户金豹.电子科技大学 2015
本文编号：3021635
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3021635.html
