SiC MOSFET器件设计与可靠性研究
发布时间：2021-10-05 07:57
与传统的硅（Si）IGBT相比,碳化硅（SiC）功率MOSFET凭借其优异的材料性能可以在高温环境下进一步提高功率电子系统的效率和功率密度。如今,SiC MOSFET正在逐步应用在包括电动汽车（EV）,混合电动汽车（HEV）在内的大功率设备中。其中电动汽车的高速发展备受关注,如今电动汽车的高电压高续航成为一个重要发展趋势,这使得1200V耐压等级及以上的电源设备需求增大。在此背景下对于1200V SiC VDMOS在实际应用中的研究变得十分重要。为了研究1200V中等电流等级器件的可靠性问题,本文首先通过仿真软件设计了与中等电流等级器件性能一致的SiC VDMOS元胞,并对仿真相关的物理模型进行调整与拟合,接着通过实验与仿真相结合的方式对1200V中等电流等级器件的可靠性进行详细分析。本论文首先对SiC VDMOS仿真相关的物理模型进行拟合与调整,由于在可靠性研究中热特性分析不可或缺,所以本文引入了自发热模型以及热边界条件。接着对1200V SiC VDMOS元胞结构中的JFET区宽度和掺杂浓度、Pwell区厚度和掺杂浓度、沟道长度以及栅氧化层厚度等核心器件参数进行了仿真设计,在保证静...
【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】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
相同耐压等级下SiC材料与Si材料器件尺寸对比[8]
第一章绪论3图1-3罗姆公司电机模块发展图图1-4对SiC与Si在不同电压等级的使用进行了对比总结，在低压范围，SiC相对与Si器件没有太大优势，仍然是Si基MOSFET与IGBT为主要产品。而在中高压范围，SiCMOSFET可以很好地弥补Si基IGBT的缺点，提升能量密度，实现高频化与小型化。耐压等级6.5kV3.3kV1.7kV1.2kV900V600V400V100VMOSFET超结MOSFETIGBTMOSFETIGBT明显降低开关损耗并且通过高频化从而实现系统的小型化减小芯片面积同时减小恢复损耗此电压等级区域SiC器件对于Si器件无明显优势Si材料SiC材料图1-4SiC与Si在不同电压等级的主要产品目前，在国际上占主导地位的SiC功率器件产业化公司有Cree旗下的Wolfspeed、英飞凌Infineon、罗姆Rohm、意法半导体（STMicroelectronics）、三菱（Mitsubishi），国际市场90%市场份额被他们所占领，另外，美国通用电气（GE）、日本丰田（Toyota）、日本富士（Fuji）、日本东芝（Toshiba）、MicroSemi、瀚薪Hestia、
第一章绪论5于2011年发布第一款平面1200VSiCMOSFET。CREE在2012年推出了第二代耐压等级为1200V的4H-SiCMOSFET(图1-5)，其在额定电流达到200A的情况下还能够在比导通电阻方面相较于第一代MOSFET在常温下减少了百分之五十，同时第二代产品在工作温度为25~300℃之间时都能保持良好的稳定性。图1-5Cree公司推出的第二代1200VSiCMOSFET产品随着SiO2/SiC界面特性的不断优化，以及各步工艺的升级，具有N沟道SiCMOSFET器件受到商业生产的青睐。CREE公司2015年和2016年分别发售了耐压等级为900V和1000V系列的平面型SiCMOSFET产品，并于2017年报道了第三代耐压等级为1700V，比导通电阻低至20mΩ·cm2的超高速平面型4H-SiCMOSFET[17]。2012年ROHM提出了双槽型（DoubleTrench）4H-SiCMOSFET结构。普通的单槽型结构由于栅极槽底部电场集中而存在长期可靠性相关的问题。然而ROHM开发的双槽型结构通过在源极部分也设置槽结构，缓和了栅极槽底部的电场集中问题，确保了长期可靠性。这款采用双槽型结构的SiC-MOSFET，与他们第2代平面型（DMOS结构）SiC-MOSFET相比，导通电阻降低约50%，输入电容降低约35%。同样在2012年，ROHM公司成功研发了耐压等级为690V而比导通电阻仅为1.0mΩcm2的4H-SiC双槽型MOSFETs[18]，如图1-6所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]SiC功率开关管短路特性分析及保护综述[J]. 徐克峰,秦海鸿,刘清,王丹,张英,戴卫力. 上海电机学院学报. 2016(05)
[2]SiC MOSFET体二极管反向恢复特性研究[J]. 史孟,彭咏龙,李亚斌,江涛. 电力科学与工程. 2016(09)
[3]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)
本文编号：3419319
【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】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
相同耐压等级下SiC材料与Si材料器件尺寸对比[8]
第一章绪论3图1-3罗姆公司电机模块发展图图1-4对SiC与Si在不同电压等级的使用进行了对比总结，在低压范围，SiC相对与Si器件没有太大优势，仍然是Si基MOSFET与IGBT为主要产品。而在中高压范围，SiCMOSFET可以很好地弥补Si基IGBT的缺点，提升能量密度，实现高频化与小型化。耐压等级6.5kV3.3kV1.7kV1.2kV900V600V400V100VMOSFET超结MOSFETIGBTMOSFETIGBT明显降低开关损耗并且通过高频化从而实现系统的小型化减小芯片面积同时减小恢复损耗此电压等级区域SiC器件对于Si器件无明显优势Si材料SiC材料图1-4SiC与Si在不同电压等级的主要产品目前，在国际上占主导地位的SiC功率器件产业化公司有Cree旗下的Wolfspeed、英飞凌Infineon、罗姆Rohm、意法半导体（STMicroelectronics）、三菱（Mitsubishi），国际市场90%市场份额被他们所占领，另外，美国通用电气（GE）、日本丰田（Toyota）、日本富士（Fuji）、日本东芝（Toshiba）、MicroSemi、瀚薪Hestia、
第一章绪论5于2011年发布第一款平面1200VSiCMOSFET。CREE在2012年推出了第二代耐压等级为1200V的4H-SiCMOSFET(图1-5)，其在额定电流达到200A的情况下还能够在比导通电阻方面相较于第一代MOSFET在常温下减少了百分之五十，同时第二代产品在工作温度为25~300℃之间时都能保持良好的稳定性。图1-5Cree公司推出的第二代1200VSiCMOSFET产品随着SiO2/SiC界面特性的不断优化，以及各步工艺的升级，具有N沟道SiCMOSFET器件受到商业生产的青睐。CREE公司2015年和2016年分别发售了耐压等级为900V和1000V系列的平面型SiCMOSFET产品，并于2017年报道了第三代耐压等级为1700V，比导通电阻低至20mΩ·cm2的超高速平面型4H-SiCMOSFET[17]。2012年ROHM提出了双槽型（DoubleTrench）4H-SiCMOSFET结构。普通的单槽型结构由于栅极槽底部电场集中而存在长期可靠性相关的问题。然而ROHM开发的双槽型结构通过在源极部分也设置槽结构，缓和了栅极槽底部的电场集中问题，确保了长期可靠性。这款采用双槽型结构的SiC-MOSFET，与他们第2代平面型（DMOS结构）SiC-MOSFET相比，导通电阻降低约50%，输入电容降低约35%。同样在2012年，ROHM公司成功研发了耐压等级为690V而比导通电阻仅为1.0mΩcm2的4H-SiC双槽型MOSFETs[18]，如图1-6所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]SiC功率开关管短路特性分析及保护综述[J]. 徐克峰,秦海鸿,刘清,王丹,张英,戴卫力. 上海电机学院学报. 2016(05)
[2]SiC MOSFET体二极管反向恢复特性研究[J]. 史孟,彭咏龙,李亚斌,江涛. 电力科学与工程. 2016(09)
[3]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)
本文编号：3419319
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