【摘要】：4H-SiC材料具有寬禁帶,高臨界擊穿電場強度,高熱導(dǎo)率等優(yōu)點,適宜于制備高壓晶閘管。由于SiC材料缺陷會限制芯片尺寸,SiC晶閘管只能形成方片管芯結(jié)構(gòu),而非Si晶閘管圓片結(jié)構(gòu),因此在SiC晶閘管中難以直接采用Si晶閘管斜角終端結(jié)構(gòu)。在SiC高壓器件中場限環(huán)因所需終端面積較大,刻蝕型JTE對刻蝕精度要求較高,多采用臺面離子注入型JTE復(fù)合型結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)終端保護,但傳統(tǒng)離子注入型JTE結(jié)構(gòu)擊穿電壓對JTE中摻雜劑量變化較為敏感,且均未考慮臺面弧度變化對器件擊穿電壓影響,針對該兩點問題,本文通過商用仿真軟件在高壓4H-SiC晶閘管上對弧形臺面電荷調(diào)制JTE復(fù)合型終端結(jié)構(gòu)進行研究與改進,從而提高器件擊穿電壓對JTE摻雜劑量變化的耐量,并研究臺面弧度變化對器件擊穿特性影響。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:1.對弧形臺面JTE復(fù)合型終端結(jié)構(gòu)進行研究及優(yōu)化。仿真結(jié)果表明單區(qū)JTE終端結(jié)構(gòu)擊穿電壓對JTE中摻雜劑量較敏感,增加JTE區(qū)域數(shù)量能有效降低敏感度,優(yōu)化后的弧形臺面三區(qū)JTE終端結(jié)構(gòu)擊穿電壓能實現(xiàn)9500V(約理論擊穿電壓的93.2%)以上的JTE摻雜劑量窗口寬度可達11.2×1012 cm-2。2.2.對弧形臺面電荷調(diào)制JTE終端結(jié)構(gòu)進行改進與機理分析。針對上述弧形臺面三區(qū)JTE復(fù)合型終端結(jié)構(gòu)摻雜劑量窗口仍不夠?qū)挼膯栴},采用在JTE3區(qū)內(nèi)加入調(diào)制環(huán)并將JTE3末端部分區(qū)域轉(zhuǎn)化為調(diào)制環(huán)的方法來緩解電場集中現(xiàn)象。與弧形臺面三區(qū)JTE復(fù)合型終端相比,改進后的終端結(jié)構(gòu)擊穿電壓能實現(xiàn)9500V(約理論擊穿電壓的93%)以上的摻雜劑量窗口寬度由11.2×1012cm-2擴大至19.2××1012 cm-2,提高了 71.4%。3.研究了 SiC/SiO2界面電荷及γ福照對終端耐壓特性的影響。仿真結(jié)果表明SiC/SiO2界面負電荷對器件擊穿電壓影響較大,界面正電荷對器件擊穿電壓影響較小。對于改進型電荷調(diào)制JTE,當(dāng)界面負電荷面密度為8× 1812cm-2時,擊穿電壓由9669V退化為8702V。輻照對單區(qū)JTE終端影響較大,當(dāng)輻照劑量為600krad時,擊穿電壓由9069V上升到9563V,上升了 5.4%,但對改進型終端結(jié)構(gòu)擊穿電壓影響較小,由9669V到9595V,僅降低了 0.7%。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM721.1;TN34
【圖文】：

硅片噴砂或者鋸切得到，并通過濕法刻蝕消除表面磨損[12]。然而，由于 SiC 晶圓中缺陷較多，目前能大規(guī)模實現(xiàn)的管芯尺寸限制在 0.1-0.5cm2，且 SiC 硬度較高，這種方法目前在 SiC 器件中是無法實現(xiàn)的[13]。雖然可以利用濕法刻蝕 SiO2作為掩模板，從而在 SiC 獲得 30°-80°的斜面，但對于高壓 SiC 器件而言，高達 6.5 以上的刻蝕比仍舊難以實現(xiàn)。為解決該問題，2013 年 Xing Huang 等人[13]提出正交正斜角（OPB）終端結(jié)構(gòu)，該終端主要通過金剛石涂層切割刀片正交鋸切 SiC 晶片形成 45°V 形溝槽，并在 SF6/O2等離子體氣氛中利用干法刻蝕去除表面損傷，從而降低漏電流。實驗證明使用該終端結(jié)構(gòu)的 4H-SiCPiN 二極管耐壓可達 1610V，約理論擊穿電壓的 83%。然而至今未在 SiC 高壓器件中發(fā)現(xiàn)該終端技術(shù)的相關(guān)報道。在 Si 器件中常用的場限環(huán)，工藝較為簡單，可與主結(jié)同時離子注入形成，亦在 SiC低壓器件中使用較為廣泛。2013 年，Runhua Huang 等人[14]為 4H-SiC JBS 設(shè)計場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)，如圖 1-1 所示，其通過仿真不同環(huán)間距對擊穿電壓的影響確定最優(yōu)環(huán)間距（環(huán)寬恒為 3μm），仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)間距過大時，擊穿點在主結(jié)附近；環(huán)間距過小時，擊穿點在最后一個環(huán)處。后該團隊選取不同環(huán)間距結(jié)構(gòu)進行流片，當(dāng)環(huán)間距為 2.3μm 時，擊穿電壓達可高達 6.5KV，約理論擊穿電壓的 87%，其終端總長約為 330μm。

硅片噴砂或者鋸切得到，并通過濕法刻蝕消除表面磨損[12]。然而，由于 SiC 晶圓中缺陷較多，目前能大規(guī)模實現(xiàn)的管芯尺寸限制在 0.1-0.5cm2，且 SiC 硬度較高，這種方法目前在 SiC 器件中是無法實現(xiàn)的[13]。雖然可以利用濕法刻蝕 SiO2作為掩模板，從而在 SiC 獲得 30°-80°的斜面，但對于高壓 SiC 器件而言，高達 6.5 以上的刻蝕比仍舊難以實現(xiàn)。為解決該問題，2013 年 Xing Huang 等人[13]提出正交正斜角（OPB）終端結(jié)構(gòu)，該終端主要通過金剛石涂層切割刀片正交鋸切 SiC 晶片形成 45°V 形溝槽，并在 SF6/O2等離子體氣氛中利用干法刻蝕去除表面損傷，從而降低漏電流。實驗證明使用該終端結(jié)構(gòu)的 4H-SiCPiN 二極管耐壓可達 1610V，約理論擊穿電壓的 83%。然而至今未在 SiC 高壓器件中發(fā)現(xiàn)該終端技術(shù)的相關(guān)報道。在 Si 器件中常用的場限環(huán)，工藝較為簡單，可與主結(jié)同時離子注入形成，亦在 SiC低壓器件中使用較為廣泛。2013 年，Runhua Huang 等人[14]為 4H-SiC JBS 設(shè)計場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)，如圖 1-1 所示，其通過仿真不同環(huán)間距對擊穿電壓的影響確定最優(yōu)環(huán)間距（環(huán)寬恒為 3μm），仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)間距過大時，擊穿點在主結(jié)附近；環(huán)間距過小時，擊穿點在最后一個環(huán)處。后該團隊選取不同環(huán)間距結(jié)構(gòu)進行流片，當(dāng)環(huán)間距為 2.3μm 時，擊穿電壓達可高達 6.5KV，約理論擊穿電壓的 87%，其終端總長約為 330μm。

的傳統(tǒng) FLR 結(jié)構(gòu)的擊穿電壓僅為 5.7kV。件中，有效緩解表面電場所需場限環(huán)終端面積較大距變化密切相關(guān)，因此在 SiC 高壓領(lǐng)域中場限環(huán)并非件中普遍使用結(jié)終端擴展結(jié)構(gòu)（JTE），其主要分類型，國內(nèi)外均有對這兩種 JTE 類型的相關(guān)報道。步刻蝕 JTE 結(jié)構(gòu)的器件擊穿電壓對刻蝕深度較為敏高擊穿電壓隨刻蝕深度變化的耐量[17,18]。2017 年，[19]基于 4H-SiC PiN 二極管設(shè)計 O-JTE（終端面積優(yōu)較普通 JTE 區(qū)域長度按等比例或漸變比例變化的方法壓的影響，從而實現(xiàn)終端面積的進一步優(yōu)化，優(yōu)可達 19.3kV。該終端結(jié)構(gòu)可通過 RIE（反應(yīng)離子刻 ICP（電感耦合等離子體刻蝕）形成臺面（mesa 部度最低為 80nm，對刻蝕精度要求較高，且存在擊穿缺點。次年，該團隊又成功將 O-JTE 終端結(jié)構(gòu)運用實驗結(jié)果表明擊穿電壓可達 15.8kV，漏電流低至 0

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