高性能4H-SiC BJT器件设计及制备技术研究

发布时间：2017-12-23 10:00

  本文关键词：高性能4H-SiC BJT器件设计及制备技术研究　出处：《西安电子科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：基于宽带隙、高临界击穿电场和高热导率等优良的物理特性,碳化硅(SiC)被认为是新一代功率器件的适用材料之一,在高压、高频以及高温等条件下有着广泛的应用前景。其中,4H-SiC双极型晶体管(BJT)作为一种重要的功率开关器件,具有导通电阻低、开关速度快以及可靠性高等优势,非常适合于在超高压(5000V)、大电流以及极端温度(500℃)等环境中工作。近些年来,国外针对4H-SiC BJT的研究取得了突破型进展,但国内从材料制备、结构设计以及器件研制等不同层次均存在较大差距。本论文基于前期的研究基础,以提高4H-SiC BJT器件整体性能为目的,主要的研究成果如下：1、深入研究了4H-SiC BJT的物理机制和模型。在常规的4H-SiC器件仿真模型基础上,加入了影响基区表面复合电流的SiC/SiO2界面态模型,并与自主研制的双层高斯掺杂基区4H-SiC BJT器件测试结果比较,验证了该模型的准确性。提出了影响基区体内复合电流的发射结深能级缺陷模型,通过与文献结果比较对该模型进行了仿真验证,得出了能级位置以及俘获截面面积参数。研究了4H-SiC BJT作为功率开关管时的两个主要工作模式,以及电流增益、导通电阻、击穿电压和开关时间的器件表征参数及主要物理机制。2、4H-SiC BJT非理想效应及器件结构设计。基于所研制的双层基区器件测试结果,研究了发射区宽度对正向模式下电流集边效应的影响,掺杂浓度引起的基区电势分布不均匀是导致电流在发射区集边的主要原因；研究了基区掺杂分布对厄利效应的影响,对比了单层基区和双层基区器件的直流特性；研究了影响器件反向特性的基区穿通效应和隔离槽底部电场集中现象。结果表明：单层基区结构更易于工艺制作,有助于提升器件的整体性能。基于器件的工作机理和上述非理想效应,分别给出了发射区、基区以及集电区的外延参数设计规则。同时,提出了改善器件击穿特性的JTERings终端,在不增加额外工艺的前提下,该新型终端的优值注入窗口为传统JTE终端的3倍,具有更高的工艺容错性。3、新型高电流增益4H-SiC双极型器件研究。提出了一种具有有源区V型沟槽的4H-SiC BJT,其优势在于：沟槽MIS结构产生的电场有助于电子穿越基区,提高了基区输运系数,进而提升了器件的电流增益,同时形成的场板终端有效的改善了隔离槽底部电场集中现象,仿真结果显示,当不考虑发射结界面深能级缺陷时,VT-BJT的电流增益为常规结构的1.66倍,加入发射结界面深能级缺陷模型时为1.79倍；进行了4H-SiC WFD-BJT的仿真研究,该结构采用新型材料代替传统结构BJT中的PN结。结果表明：当新型接触材料的功函数小于4.0eV时,接触材料内电子注入到P-SiC的效率会显著提升,使得器件具有较高的电流增益；模拟研究了基于4H-SiC的集成式达林顿结构晶体管,得到了器件的基本输入和输出特性曲线,分析了不同驱动管和输出管面积对器件电流增益的影响。4、SiC少子寿命研究及其对BJT特性的影响。在分析研究SiC少子寿命目前的研究现状的基础上,外延层中的C空位是制约SiC材料少子寿命的根本原因。进行了热氧化法提升SiC材料少子寿命的实验,微波光电导法测试结果显示：SiC材料的少子寿命值随氧化时间的增加而有所提升。氧化过程中形成的游离C杂质在长时间氧化过程中有助于降低SiC材料体内的C空位,进而提升了少子寿命。系统研究了发射区空穴寿命和基区电子寿命对SiC BJT电学特性的影响。发射区空穴寿命和基区电子寿命的提升有助于提高器件的电流增益,而过高的基区电子寿命又会使动态特性的存储时间增长,因此存在基区电子寿命的折中问题。基于厚度为0.6μm的4H-SiCBJT,l00ns-200ns被认为是合适的基区少子寿命范围。5、4H-SiC BJT实验设计及器件制备研究。设计了4H-SiC BJT及相关双极型器件的工艺流程及版图。研究了TiAl基金属在4H-SiC n型欧姆接触上的电学特性,通过1000℃、3分钟的快速热退火,在掺杂浓度为2×1019cm-3的n型外延材料上实现欧姆接触的比接触电阻率为6×10-5Ω·cm2,满足器件制作要求。进行了终端离子注入的单步实验,SIMS结果显示实际的注入剂量和设计值相吻合,适合器件流片应用。进行了完整流片实验,所采用的外延参数为：集电区厚度20μm、浓度3×1015cm-3,基区厚度0.6μm、浓度为4.5×1017cm-3,发射区厚度为0.8μm、浓度2×1019cm-3。对研制成功的器件进行了初步的直流特性测试,结果显示：SiC BJT的最大电流增益为63.6,击穿电压大于2000V；非隔离式SiC达林顿管最大电流增益313,击穿电压2050V；隔离式SiC达林顿管最大电流增益968,击穿电压750V。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN322.8

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本文编号：1323424