新型碳化硅功率二极管的研究

发布时间：2017-07-17 04:03

  本文关键词：新型碳化硅功率二极管的研究

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【摘要】：随着绿色高效能源转换的迫切要求和电力电子技术的不断发展,以硅材料为基础的传统电力电子器件的物理局限性日益显现,严重制约了器件的工作电压、工作电流、工作频率、工作温度、耗散功率和抗辐射等性能的提高。碳化硅材料作为新一代卓越的宽禁带半导体材料,使得碳化硅器件将成为绿色能源革命时代的代表性器件。目前碳化硅器件已经取得了令人瞩目的成就,在一些重要的能源领域开始逐步取代硅基电力电子器件,并初步展现出其巨大的潜力。在多种器件类型中,碳化硅二极管作为一种应用最为广泛也最简单的器件结构,首先得到了商业化发展,但其理论研究还需要得到进一步的完善,而且碳化硅二极管的工艺技术存在一些技术难点,对于国内刚刚起步的碳化硅器件研究来说更是如此,因此本文针对低压(1700V)和高压(6000V)两种电压等级,对碳化硅结势垒肖特基二极管进行了结构设计、理论建模和工艺实验多方面的系统性研究,并对一种夹断型势垒新型二极管进行了研究和探讨,主要包括以下内容：为了改善传统平面型结势垒肖特基二极管较弱的电场屏蔽效应引起的软击穿特性,近年来许多团队对新型沟槽型结构进行了报道。本文对碳化硅沟槽型结势垒肖特基二极管和传统平面型结势垒肖特基二极管进行了较为系统的对比研究,针对1700V和6000V两种电压等级,对两种器件结构以仿真设计、理论模型和实验分析的多种手段和多方面角度进行了剖析,并提出沟槽型结势垒肖特基二极管具有更宽的设计窗口和更佳的优化性能,该结论得到了仿真结果、模型计算和实验结果的验证。碳化硅结势垒肖特基二极管的正向导通特性的理论模型研究已经十分清晰,但反向电场分布和阻断特性的理论模型研究却并不完善。传统的反向阻断特性模型是基于表面电场的拟合公式而建立的,拟合公式不仅存在准确度较差的缺点,而且无法完全适用于各种不同结构参数设计的场合。本文建立了碳化硅结势垒肖特基二极管反向阻断特性理论模型,提出了反向电场分布的准二维数学模型,并基于该反向电场的模型建立了漏电流的物理模型。模型的有效性和准确度得到了仿真结果和实验结果的验证。并且本文还基于正向导通特性和反向阻断特性模型,对碳化硅结势垒肖特基二极管进行了理论的结构优化设计。由于结势垒肖特基二极管的肖特基势垒容易受到能级钉扎现象和工艺状况的影响,同时势垒高度的调节受到有限几种金属选择的限制,导致二极管的开启电压可控性很差,这对于开启电压较高的碳化硅肖特基二极管来说尤为重要；除此之外,肖特基势垒还受到镜像力势垒降低效应的影响,导致其势垒高度随反偏电压的增加而降低。为了提高对二极管势垒高度的控制,实现势垒高度在较大范围内的连续可调,本文提出了一种夹断型势垒的新型二极管结构,并对其进行了较为系统的研究和探讨,以仿真结构设计、物理能带分析和实验研制的多种手段和多方面角度,阐明了该夹断型势垒新型二极管的工作原理。在传统的肖特基结和PN结两种势垒二极管的基础上,开创了一种夹断型势垒二极管的研究方向。
【关键词】：碳化硅 结势垒肖特基二极管 沟槽型结势垒肖特基二极管 夹断型势垒二极管 正向导通 反向漏电流
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN313.4
【目录】：

• 致谢5-8
• 摘要8-10
• Abstract10-15
• 第一章 绪论15-36
• 1.1 碳化硅材料15-17
• 1.1.1 碳化硅材料的特性15-17
• 1.1.2 碳化硅材料的发展17
• 1.2 碳化硅二极管的工艺技术17-27
• 1.2.1 刻蚀17-19
• 1.2.2 离子注入19-20
• 1.2.3 热氧化20-21
• 1.2.4 欧姆接触21-23
• 1.2.5 肖特基接触23-27
• 1.3 碳化硅二极管的应用27-28
• 1.4 碳化硅二极管的研究和发展28-33
• 1.4.1 碳化硅肖特基二极管28-29
• 1.4.2 碳化硅新型结构肖特基二极管29-30
• 1.4.3 碳化硅PN结二极管30-31
• 1.4.4 衬底减薄技术31
• 1.4.5 终端技术31-33
• 1.5 本文的选题意义及主要研究内容33-36
• 1.5.1 本文的选题意义33-34
• 1.5.2 本文的主要研究内容34-36
• 第二章 碳化硅结势垒肖特基二极管的结构设计和仿真研究36-73
• 2.1 外延层参数设计36-39
• 2.2 仿真模型39-40
• 2.3 有源区结构仿真研究40-50
• 2.3.1 1700V碳化硅结势垒肖特基二极管的仿真研究40-45
• 2.3.2 6000V碳化硅结势垒肖特基二极管的仿真研究45-50
• 2.4 终端结构仿真研究50-71
• 2.4.1 1700V场限环终端结构仿真50-57
• 2.4.2 6000V场限环终端结构仿真57-59
• 2.4.3 新型终端结构仿真研究59-71
• 2.5 本章小结71-73
• 第三章 碳化硅结势垒肖特基二极管的实验结果73-86
• 3.1 1700V碳化硅结势垒肖特基二极管74-77
• 3.1.1 正向特性实验结果74-75
• 3.1.2 反向特性实验结果75-76
• 3.1.3 实验结果分析76-77
• 3.2 6000V碳化硅结势垒肖特基二极管77-85
• 3.2.1 正向特性实验结果77-81
• 3.2.2 反向特性实验结果81-82
• 3.2.3 改进实验结果82-83
• 3.2.4 实验结果分析83-85
• 3.3 本章小结85-86
• 第四章 碳化硅结势垒肖特基二极管的建模和优化设计86-114
• 4.1 导通特性的建模86-96
• 4.1.1 能带分析86-91
• 4.1.2 导通特性模型91-96
• 4.2 阻断特性的建模96-110
• 4.2.1 能带分析96-100
• 4.2.2 准二维电场分布模型100-106
• 4.2.3 漏电流模型106-110
• 4.3 碳化硅结势垒肖特基二极管的结构优化设计110-113
• 4.4 本章小结113-114
• 第五章 碳化硅夹断型势垒新型二极管的研究114-132
• 5.1 器件设计和仿真研究114-125
• 5.1.1 金属-半导体接触势垒对器件势垒高度的调制作用115-116
• 5.1.2 PN结的结深和结间距对器件势垒高度的调制作用116
• 5.1.3 PBR二极管的结构设计116-125
• 5.2 PBR二极管的实验结果125-128
• 5.2.1 正向特性实验结果126
• 5.2.2 反向特性实验结果126-128
• 5.2.3 实验结果分析128
• 5.3 PBR二极管的进一步优化设计128-131
• 5.4 本章小结131-132
• 第六章 结论与展望132-136
• 6.1 本文工作总结132-134
• 6.2 后续研究展望134-136
• 参考文献136-143
• 攻读博士学位期间的科研成果143

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