高压碳化硅GTO器件结构与特性研究
发布时间：2021-02-11 09:32
硅基高压功率器件的di/dt,dv/dt能力正在达到自身极限,具有禁带宽度大、临界击穿电场高、热导率高以及电子饱和漂移速度大等优越物理特性的碳化硅（SiC）材料的研究,给新一代电力电子器件的发展带来了希望。碳化硅栅极可关断晶闸管（SiC GTO）是一种理想的开关,具有出色的电流处理能力、极高的阻断电压、功耗低和快速关断等优点,适用于高压大电流的脉冲功率领域的应用。同时,高压SiC GTO器件的应用减少了硅基器件串联数目、系统体积,并降低了成本,使之在高压大功率的斩波器、逆变器及开关电路中得到发展。本文基于半导体二维数值分析软件Synopsys Sentaurus TCAD,设计了一款超高压、高脉冲电流的SiC GTO功率器件。首先,研究了SiC材料特性、分析了SiC GTO器件物理性能并建立器件仿真模型。接下来优化了器件结构参数,并折衷考虑了阻断电压、导通压降和开启时间对器件电学性能的影响,获得了器件P+阳极、N-base层、P-drift层、P-buffer层和N-buffer层的优化尺寸参数。器件元胞击穿电压为13.4kV,正向开启压降为4.4V@1000A·...
【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】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
功率半导体器件的工业应用[2]
电子科技大学硕士学位论文21.2SiC材料介绍Si、Ge材料作为第一代半导体开启了微电子半导体行业；GaAs代表的第二代半导体因为直接间隙的材料特点，GaAs器件具有优良的高频特性，开启了半导体信息产业；作为第三代半导体材料的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)是未来战略发展的重要部分。从第一个硅功率半导体整流器出现到现在，硅功率器件已经为电力电子行业服务了六十多年[3]。近年来，电力系统的工作条件越来越严苛，因此对功率器件性能提出了更高的要求。例如，需要高功率器件在125℃以上的环境中仍能正常工作，并且阻断电压超过6.5kV，开关频率超过1kHz。如今，功率器件都是朝着高压、高频的方向发展，如果只是基于硅材料，很难达到这些要求[4]。因为基于硅的技术水平正在达到功率密度和开关频率的物理极限，硅基器件的应用已经不能适应未来的发展趋势，需要研究新的材料来实现高压高频的应用目标。此时，碳化硅材料进入了人们的视野。碳化硅(SiC)是由硅(Si)原子和碳(C)原子1:1组成的复合型半导体材料，通过两个原子共用电子键形成SiC晶体，基础单元呈现四面体结构[5]。不同的三维堆积排列使SiC材料具有约250种结晶形态。从材料科学的角度来看，固体材料的多型性是材料具有不同晶体结构的特性，SiC是具备较多多型体最为著名的例子之一。图1-2所示是SiC材料三种结晶形态的球棍模型，分别是3H-SiC、4H-SiC和6H-SiC。SiC多晶型的稳定性和成核几率很大程度上取决于温度，如3H-SiC存在高温不稳定性，在高温(>1900℃~2000℃)时转化成6H-SiC。(a)(b)(c)图1-2SiC三种结晶模型：(a)3C-SiC；(b)4H-SiC；(c)6H-SiC[6]
第一章绪论3宽带隙4H-SiC材料具有很多优越的性能，是后硅替代品中最有前景的一种半导体材料。4H-SiC材料与其他三种常用于器件制备的半导体材料的基本参数对比如表1-1所示。表1-1材料特性的比较[7-10]PropertiesSi4H-SiCGaAsGaNCrystalStructureDiamondHexagonalZincblendeHexagonalEnergyGap:EG(eV)1.123.261.433.5ElectronMobility:μn(cm2/Vs)140090085001250HoleMobility:μp(cm2/Vs)600100400200BreakdownField:EB(V/cm)×1060.330.43ThermalConductivity(W/cm℃)1.54.90.51.3SaturationDriftVelocity:vs(cm/s)×10712.722.7RelativeDielectricConstant:S11.89.712.89.5与第一代半导体材料Si相比，4H-SiC具有十倍的临界击穿电场，三倍的带隙宽度和三倍的热导率。从材料特性出发，三倍的禁带宽度意味着4H-SiC器件可以承受更高的击穿电压；同等耐压级别下，十倍的临界击穿电场使4H-SiC器件外延厚度更薄，器件具有更低的电阻率；三倍热导率使4H-SiC器件可以在更高的温度下工作，散热性能好；三倍的电子饱和迁移率使4H-SiC器件导通损耗更低，开关速度更快。同时，4H-SiC材料可以像Si材料一样，掺入不同类型的杂质成P型和N型半导体。这些特性使4H-SiC成为一种极具吸引力的材料，可以制造出性能远远超过Si材料的功率器件。图1-3硅基器件与碳化硅基器件在耐压等级上的对比[11]
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种带有注入增强缓冲层的4H-SiC GTO晶闸管[J]. 高吴昊,陈万军,刘超,陶宏,夏云,谯彬,施宜军,邓小川,李肇基,张波. 半导体技术. 2019(04)
[2]高温氧化对SiC MOS器件栅氧可靠性的影响[J]. 周钦佩,张静,夏经华,许恒宇,万彩萍,韩锴. 半导体技术. 2017(10)
[3]SiC GTO晶闸管技术现状及发展[J]. 王俊,张渊,李宗鉴,邓林峰. 大功率变流技术. 2016(05)
[4]一款700 V VDMOSFET结终端结构设计[J]. 李宏杰,冯全源,陈晓培. 电子元件与材料. 2014(10)
[5]沟槽负斜角终端结构的耐压机理与击穿特性分析[J]. 王彩琳,于凯. 固体电子学研究与进展. 2011(04)
[6]场限环的简单理论[J]. 陈星弼. 电子学报. 1988(03)
博士论文
[1]4H-SiC PiN功率二极管研制及其关键技术研究[D]. 韩超.西安电子科技大学 2016
硕士论文
[1]超高压4H-SiC MOSFET器件设计及关键工艺研究[D]. 谭犇.电子科技大学 2019
[2]SiC双极型功率半导体器件低功耗驱动技术研究[D]. 司长明.湖南大学 2018
[3]超高压4H-SiC GTO晶闸管的结构优化设计[D]. 刘青.西安理工大学 2017
[4]6500V碳化硅发射极关断晶闸管仿真和特性的研究[D]. 张渊.湖南大学 2017
[5]高压4H-SiC JBS二极管新型结终端技术研究[D]. 饶成元.电子科技大学 2013
本文编号：3028895
【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】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
功率半导体器件的工业应用[2]
电子科技大学硕士学位论文21.2SiC材料介绍Si、Ge材料作为第一代半导体开启了微电子半导体行业；GaAs代表的第二代半导体因为直接间隙的材料特点，GaAs器件具有优良的高频特性，开启了半导体信息产业；作为第三代半导体材料的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)是未来战略发展的重要部分。从第一个硅功率半导体整流器出现到现在，硅功率器件已经为电力电子行业服务了六十多年[3]。近年来，电力系统的工作条件越来越严苛，因此对功率器件性能提出了更高的要求。例如，需要高功率器件在125℃以上的环境中仍能正常工作，并且阻断电压超过6.5kV，开关频率超过1kHz。如今，功率器件都是朝着高压、高频的方向发展，如果只是基于硅材料，很难达到这些要求[4]。因为基于硅的技术水平正在达到功率密度和开关频率的物理极限，硅基器件的应用已经不能适应未来的发展趋势，需要研究新的材料来实现高压高频的应用目标。此时，碳化硅材料进入了人们的视野。碳化硅(SiC)是由硅(Si)原子和碳(C)原子1:1组成的复合型半导体材料，通过两个原子共用电子键形成SiC晶体，基础单元呈现四面体结构[5]。不同的三维堆积排列使SiC材料具有约250种结晶形态。从材料科学的角度来看，固体材料的多型性是材料具有不同晶体结构的特性，SiC是具备较多多型体最为著名的例子之一。图1-2所示是SiC材料三种结晶形态的球棍模型，分别是3H-SiC、4H-SiC和6H-SiC。SiC多晶型的稳定性和成核几率很大程度上取决于温度，如3H-SiC存在高温不稳定性，在高温(>1900℃~2000℃)时转化成6H-SiC。(a)(b)(c)图1-2SiC三种结晶模型：(a)3C-SiC；(b)4H-SiC；(c)6H-SiC[6]
第一章绪论3宽带隙4H-SiC材料具有很多优越的性能，是后硅替代品中最有前景的一种半导体材料。4H-SiC材料与其他三种常用于器件制备的半导体材料的基本参数对比如表1-1所示。表1-1材料特性的比较[7-10]PropertiesSi4H-SiCGaAsGaNCrystalStructureDiamondHexagonalZincblendeHexagonalEnergyGap:EG(eV)1.123.261.433.5ElectronMobility:μn(cm2/Vs)140090085001250HoleMobility:μp(cm2/Vs)600100400200BreakdownField:EB(V/cm)×1060.330.43ThermalConductivity(W/cm℃)1.54.90.51.3SaturationDriftVelocity:vs(cm/s)×10712.722.7RelativeDielectricConstant:S11.89.712.89.5与第一代半导体材料Si相比，4H-SiC具有十倍的临界击穿电场，三倍的带隙宽度和三倍的热导率。从材料特性出发，三倍的禁带宽度意味着4H-SiC器件可以承受更高的击穿电压；同等耐压级别下，十倍的临界击穿电场使4H-SiC器件外延厚度更薄，器件具有更低的电阻率；三倍热导率使4H-SiC器件可以在更高的温度下工作，散热性能好；三倍的电子饱和迁移率使4H-SiC器件导通损耗更低，开关速度更快。同时，4H-SiC材料可以像Si材料一样，掺入不同类型的杂质成P型和N型半导体。这些特性使4H-SiC成为一种极具吸引力的材料，可以制造出性能远远超过Si材料的功率器件。图1-3硅基器件与碳化硅基器件在耐压等级上的对比[11]
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种带有注入增强缓冲层的4H-SiC GTO晶闸管[J]. 高吴昊,陈万军,刘超,陶宏,夏云,谯彬,施宜军,邓小川,李肇基,张波. 半导体技术. 2019(04)
[2]高温氧化对SiC MOS器件栅氧可靠性的影响[J]. 周钦佩,张静,夏经华,许恒宇,万彩萍,韩锴. 半导体技术. 2017(10)
[3]SiC GTO晶闸管技术现状及发展[J]. 王俊,张渊,李宗鉴,邓林峰. 大功率变流技术. 2016(05)
[4]一款700 V VDMOSFET结终端结构设计[J]. 李宏杰,冯全源,陈晓培. 电子元件与材料. 2014(10)
[5]沟槽负斜角终端结构的耐压机理与击穿特性分析[J]. 王彩琳,于凯. 固体电子学研究与进展. 2011(04)
[6]场限环的简单理论[J]. 陈星弼. 电子学报. 1988(03)
博士论文
[1]4H-SiC PiN功率二极管研制及其关键技术研究[D]. 韩超.西安电子科技大学 2016
硕士论文
[1]超高压4H-SiC MOSFET器件设计及关键工艺研究[D]. 谭犇.电子科技大学 2019
[2]SiC双极型功率半导体器件低功耗驱动技术研究[D]. 司长明.湖南大学 2018
[3]超高压4H-SiC GTO晶闸管的结构优化设计[D]. 刘青.西安理工大学 2017
[4]6500V碳化硅发射极关断晶闸管仿真和特性的研究[D]. 张渊.湖南大学 2017
[5]高压4H-SiC JBS二极管新型结终端技术研究[D]. 饶成元.电子科技大学 2013
本文编号：3028895
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