碳化硅绝缘栅双极型晶体管器件发展概述
发布时间：2021-07-11 13:59
宽禁带半导体碳化硅（SiC）具有高击穿场强、高电子饱和速率和热导率等优点,适合制作高压、高温、高频与大功率器件。SiC绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为一种双极型器件,结合了材料与器件结构优势,在超高压应用领域具有明显优势,成为研究热点与未来发展趋势。这里分别从P沟道SiC IGBT器件、N沟道SiC IGBT器件以及新结构在提高击穿电压、降低导通压降、优化器件折中特性和提升可靠性方面的研究,阐述了SiC IGBT器件的发展进展。SiC IGBT器件的优越性能彰显了其在高压大功率应用方面的广阔前景。
【文章来源】：电力电子技术. 2020,54(10)北大核心CSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
图１器件截面结构示意图??Ｆｉｇ．?１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍｓ?ｏｆ?ｃｒｏｓｓ?ｓｅｃｔｉｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｄｅｖｉｃｅ??而美国Ｃｒｅｅ公司的Ｒｙｕ等又将平面栅Ｐ沟??
通过改变器件参数仍然可继续提高??ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件的耐压，但是此为目前试验研究报??道的最髙值。??与Ｐ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件一样，当Ｎ沟道ＳｉＣ??ＩＧＢＴ器件的耐压达到期望值时，研宂重心开始向??器件折中特性与可靠性转移。而器件结构优化与??器件性能的提高更有利于器件各项特性的折中，??同时，优良的器件结构也会提升器件可靠性。美国??北卡罗来纳州立大学的Ｗｏｏｎｇｊｅ?Ｓｕｎｇ等人通过在??平面栅Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件的Ｐ阱下方注入了??一层重掺杂Ｐ型屏蔽层，如图２所示。??图２平面栅Ｎ沟道ＳｉＣ空穴势垒层－ＩＧＢＴ示意图??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｐｌａｎａｒ?ｇａｔｅ?Ｎ－ｃｈａｎｎｅｌ?ＳｉＣ?ｂａｒｒｉｅｒ?ｌａｙｅｒ－ＩＧＢＴ??由于重掺杂ｐ型屏蔽层存在，使得其在ｐ阱??下方形成了空穴势垒区，阻止了空穴的泄露，且降??低了器件的饱和电流，进一步促使器件提升了开??关速度，降低了开关损耗并优化了短路能力，但这??里未提及短路耐受能力的具体值。近期，北卡罗来??纳州立大学的Ａｓｈｉｓｈ?Ｋｕｍａｒ等人第一次通过仿真??和试验同时对耐压１５?ｋＶ的Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器??件的短路特性进行了研宄，其短路耐受时间可以??达到１．５?ｆＪＬＳ，但仍未达到理想需求值，而短路特性??及器件的可靠性作为ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件的一个研宄??热点，仍需对器件结构与参数进行不断研宂与优??化。然而，与Ｐ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件不同，Ｎ沟道??ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件的Ｐ型衬底问题，因此，在器件性??能优化的同时，各国研究团队也在探求如何解决??此问题。美国Ｃｒｅｅ公司由于技术的先进，其制备??的Ｎ沟道Ｓｉ
，仍需对器件结构与参数进行不断研宂与优??化。然而，与Ｐ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件不同，Ｎ沟道??ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件的Ｐ型衬底问题，因此，在器件性??能优化的同时，各国研究团队也在探求如何解决??此问题。美国Ｃｒｅｅ公司由于技术的先进，其制备??的Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件所需的Ｐ型衬底（即Ｐ型??集电极）是通过外延生长所得，并在Ｐ型ＳｉＣ衬底??外延器件所需各结构层。而日本Ａ１ＳＴ的Ｙｏｓｈｉｙｕｋｉ??等巧妙利用翻转，提出了翻转型Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ??器件Ｗ，其流程图见图３。通过将图３中步骤③所??得的最终器件结构按照倒序（图３步骤①）逐层外??延，然后将其翻转，研磨掉结构不需要的Ｎ型ＳｉＣ??衬底，同时使得Ｐ型外延层作为集电极区进行空??穴注入。此方法虽然较好地解决了Ｐ型衬底缺乏??的问题，但其工艺步骤繁琐，且受应力等因素的影??响，在研磨时，外延片易碎裂。而翻转型Ｎ沟道??ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件促进了?Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件的发??展，突破了?Ｐ型衬底缺乏的瓶颈。??图３翻转型Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ流程图??Ｆｉｇ．?３?Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｌｉｐ－ｔｙｐｅ?Ｎ－ｃｈａｎｎｅｌ?ＳｉＣ?ＩＧＢＴ??与翻转型不同的是，中国南京电子器件研宄??所的杨同同等通过在Ｎ型衬底按器件结构顺序??（图４步骤①）依次外延生长器件各结构层１５１，其??流程图如图４所示，然后通过研磨将Ｎ型衬底去??掉，后又使用激光退火激活Ｐ型集电极区，从而制??备了耐压１２?ｋＶ的Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件。激光退??火工艺不仅提升了Ｐ型集电极区质量，而且不会??对器件其他部分造成损伤。Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ
【参考文献】：
期刊论文
[1]12kV 4H-SiC N沟道IGBT的设计与实现[J]. 杨同同,陶永洪,杨晓磊,黄润华,柏松. 固体电子学研究与进展. 2018(05)
[2]IGBT器件的发展[J]. 戚丽娜,张景超,刘利峰,赵善麒. 电力电子技术. 2012(12)
本文编号：3278229
【文章来源】：电力电子技术. 2020,54(10)北大核心CSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
图１器件截面结构示意图??Ｆｉｇ．?１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍｓ?ｏｆ?ｃｒｏｓｓ?ｓｅｃｔｉｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｄｅｖｉｃｅ??而美国Ｃｒｅｅ公司的Ｒｙｕ等又将平面栅Ｐ沟??
通过改变器件参数仍然可继续提高??ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件的耐压，但是此为目前试验研究报??道的最髙值。??与Ｐ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件一样，当Ｎ沟道ＳｉＣ??ＩＧＢＴ器件的耐压达到期望值时，研宂重心开始向??器件折中特性与可靠性转移。而器件结构优化与??器件性能的提高更有利于器件各项特性的折中，??同时，优良的器件结构也会提升器件可靠性。美国??北卡罗来纳州立大学的Ｗｏｏｎｇｊｅ?Ｓｕｎｇ等人通过在??平面栅Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件的Ｐ阱下方注入了??一层重掺杂Ｐ型屏蔽层，如图２所示。??图２平面栅Ｎ沟道ＳｉＣ空穴势垒层－ＩＧＢＴ示意图??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｐｌａｎａｒ?ｇａｔｅ?Ｎ－ｃｈａｎｎｅｌ?ＳｉＣ?ｂａｒｒｉｅｒ?ｌａｙｅｒ－ＩＧＢＴ??由于重掺杂ｐ型屏蔽层存在，使得其在ｐ阱??下方形成了空穴势垒区，阻止了空穴的泄露，且降??低了器件的饱和电流，进一步促使器件提升了开??关速度，降低了开关损耗并优化了短路能力，但这??里未提及短路耐受能力的具体值。近期，北卡罗来??纳州立大学的Ａｓｈｉｓｈ?Ｋｕｍａｒ等人第一次通过仿真??和试验同时对耐压１５?ｋＶ的Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器??件的短路特性进行了研宄，其短路耐受时间可以??达到１．５?ｆＪＬＳ，但仍未达到理想需求值，而短路特性??及器件的可靠性作为ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件的一个研宄??热点，仍需对器件结构与参数进行不断研宂与优??化。然而，与Ｐ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件不同，Ｎ沟道??ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件的Ｐ型衬底问题，因此，在器件性??能优化的同时，各国研究团队也在探求如何解决??此问题。美国Ｃｒｅｅ公司由于技术的先进，其制备??的Ｎ沟道Ｓｉ
，仍需对器件结构与参数进行不断研宂与优??化。然而，与Ｐ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件不同，Ｎ沟道??ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件的Ｐ型衬底问题，因此，在器件性??能优化的同时，各国研究团队也在探求如何解决??此问题。美国Ｃｒｅｅ公司由于技术的先进，其制备??的Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件所需的Ｐ型衬底（即Ｐ型??集电极）是通过外延生长所得，并在Ｐ型ＳｉＣ衬底??外延器件所需各结构层。而日本Ａ１ＳＴ的Ｙｏｓｈｉｙｕｋｉ??等巧妙利用翻转，提出了翻转型Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ??器件Ｗ，其流程图见图３。通过将图３中步骤③所??得的最终器件结构按照倒序（图３步骤①）逐层外??延，然后将其翻转，研磨掉结构不需要的Ｎ型ＳｉＣ??衬底，同时使得Ｐ型外延层作为集电极区进行空??穴注入。此方法虽然较好地解决了Ｐ型衬底缺乏??的问题，但其工艺步骤繁琐，且受应力等因素的影??响，在研磨时，外延片易碎裂。而翻转型Ｎ沟道??ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件促进了?Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件的发??展，突破了?Ｐ型衬底缺乏的瓶颈。??图３翻转型Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ流程图??Ｆｉｇ．?３?Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｌｉｐ－ｔｙｐｅ?Ｎ－ｃｈａｎｎｅｌ?ＳｉＣ?ＩＧＢＴ??与翻转型不同的是，中国南京电子器件研宄??所的杨同同等通过在Ｎ型衬底按器件结构顺序??（图４步骤①）依次外延生长器件各结构层１５１，其??流程图如图４所示，然后通过研磨将Ｎ型衬底去??掉，后又使用激光退火激活Ｐ型集电极区，从而制??备了耐压１２?ｋＶ的Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ器件。激光退??火工艺不仅提升了Ｐ型集电极区质量，而且不会??对器件其他部分造成损伤。Ｎ沟道ＳｉＣ?ＩＧＢＴ
【参考文献】：
期刊论文
[1]12kV 4H-SiC N沟道IGBT的设计与实现[J]. 杨同同,陶永洪,杨晓磊,黄润华,柏松. 固体电子学研究与进展. 2018(05)
[2]IGBT器件的发展[J]. 戚丽娜,张景超,刘利峰,赵善麒. 电力电子技术. 2012(12)
本文编号：3278229
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