碳化硅(SiC)材料由于其禁帶寬度寬、臨界擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度大等優(yōu)異的材料特性,能夠廣泛運(yùn)用于光伏逆變,汽車電子,電力傳輸?shù)雀吖β拭芏阮I(lǐng)域。SiC溝槽柵(Trench)MOSFET比平面柵MOSFET具有更高的溝道密度和更低的導(dǎo)通電阻,被稱為第二代SiC MOSFET器件。本文利用TCAD Silvaco仿真平臺(tái),仿真研究了帶有N型CS(Current Spreading)Layer和P+屏蔽層的1200V SiC Trench MOSFET(TMOS)基本結(jié)構(gòu)參數(shù),包括器件的漂移區(qū)、Pbase區(qū)、N型CS Layer層的摻雜濃度和厚度,P+屏蔽層寬度,柵氧化層厚度和槽柵底部氧化層厚度等。在仿真研究基礎(chǔ)上,采用4吋SiC外延片進(jìn)行了流片實(shí)驗(yàn),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試分析。本文首先使用Atlas對(duì)SiC Trench MOSFET的靜態(tài)(包括擊穿電壓,正向電流密度、閾值電壓以及器件擊穿時(shí)候柵氧化層最大電場(chǎng))和動(dòng)態(tài)特性(開關(guān)時(shí)間和開關(guān)能量損耗)進(jìn)行了仿真研究,優(yōu)化了器件的漂移區(qū)、Pbase區(qū)、N型CS Layer層的摻雜濃度和厚度,P+屏蔽層寬度,柵氧化層厚度和槽柵底部氧化層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。在漂移區(qū)摻雜濃度和厚度分別為4×10~(15)cm~(-3)、12μm;Pbase摻雜濃度和厚度分別為2×10~(17)cm~(-3)、0.6μm;N型CS Layer層摻雜濃度和厚度分別為1×10~(17)cm~(-3)、0.2μm;柵底部氧化層厚度為0.2μm的條件下,得到Trench MOSFET擊穿電壓為1740V;器件擊穿時(shí)柵氧化層最大電場(chǎng)為2.96MV/cm;在保證了柵氧化層的可靠性的前提下,使得開關(guān)時(shí)間最小,開關(guān)損耗最低。其次對(duì)流片實(shí)驗(yàn)的兩組TMOS對(duì)比結(jié)構(gòu)(柵槽底部有P+屏蔽層注入結(jié)構(gòu)和無P+屏蔽層注入結(jié)構(gòu))的反向擊穿特性進(jìn)行了測(cè)試和分析。柵槽底部有無P+屏蔽層注入結(jié)構(gòu)的TMOS的反向擊穿電壓分別為1620V和820V。這是由于無P+屏蔽層注入結(jié)構(gòu)Pbase區(qū)發(fā)生了穿通,導(dǎo)致?lián)舸╇妷哼h(yuǎn)遠(yuǎn)小于有P+屏蔽層注入的TMOS結(jié)構(gòu)。最后對(duì)TMOS器件柵槽形貌進(jìn)行了SEM分析。本次實(shí)驗(yàn)刻蝕形成的柵槽底部無微溝槽,同時(shí)在溝槽底部拐角處形成有弧度的過渡,減弱了拐角處的電場(chǎng)集中效應(yīng),有利于提高SiC TMOS的可靠性。本文通過對(duì)1200V SiC TMOS的仿真研究以及流片實(shí)驗(yàn),為后期SiC TMOS的設(shè)計(jì)、流片及實(shí)驗(yàn)提供了參考和前期技術(shù)支撐。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN386
【部分圖文】：

也是 IV 族元素里邊存在的唯一的固態(tài)碳化物，圖 1-1（a）為 Acheson 工藝[1]最早得到的 SiC 塊，圖1-1（b）為商業(yè)化的 4 英寸和 6 英寸 4H-SiC 晶圓。Si 和 C 原子之間很強(qiáng)的化學(xué)鍵[2]（Si-C 化學(xué)鍵能為 4.6eV）使得 SiC 材料具有很高的硬度、化學(xué)穩(wěn)定性和高的熱導(dǎo)率[3]。同時(shí) SiC 作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有很寬的禁帶寬度、高的臨界擊穿電場(chǎng)和高的飽和漂移速率。此外，SiC 材料可以利用熱氧工藝形成氧化層，可以很好的與目前成熟的 Si 工藝兼容。以上的這些優(yōu)良特性，使得 SiC 成為高功率和高溫電力器件和系統(tǒng)應(yīng)用中最具前景的半導(dǎo)體材料之一[4-6]。（a） （b）圖 1-1 (a)Acheson 工藝得到的 SiC 塊；(b)商業(yè)化 4 英寸和 6 英寸 4H-SiC 晶圓

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文SiC 材料存在大約 250 種在各種結(jié)構(gòu)及物理特性上相異的結(jié)晶形態(tài)，即同[7-8]。比較常見的三種結(jié)晶形態(tài)為 3C-SiC（C（Cubic）代表立方晶系）、4H-SiC（H（Hexagonal）代表著六方晶系），其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-2 所示。、B 和 C 表示在六角緊湊結(jié)構(gòu)中可能的占位，3C-SiC 原子的堆垛次ABCABC…，4H-SiC 的堆垛次序是 ABCB...（或 ABCA…），6H-SiC 的為 ABCACBA…[9]。

參數(shù)Si GaAs 3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC本征載流子濃度 ni(cm-3)1.5×10101.8×1060.13 1×10-65×10-9禁帶寬度 Eg（eV）1.12 1.43 2.36 3.00 3.26相對(duì)介電常數(shù) εr11.9 12.5 10 9.7 9.7熱導(dǎo)率（W/k·cm）1.5 0.5 4.9 4.9 4.9臨界電場(chǎng) EC（MV/cm）0.3 0.4 1.2 2.4 3.0電子遷移率 μn（cm2V-1s-1）1350 8000 1000 600 1140空穴遷移率 μp（cm2V-1s-1）480 400 40 80 120電子飽和漂移速度（107cm/s）1 2 2 2 2
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