發(fā)布時(shí)間：2021-02-07 04:13

　　碳化硅（SiC）材料作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料,以其為襯底制備的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET）具備優(yōu)越的性能。然而,在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域應(yīng)用中,MOSFET在關(guān)斷瞬間,外接或寄生的電感存儲(chǔ)的能量通過功率器件釋放,迫使器件發(fā)生雪崩擊穿,產(chǎn)生的高壓大電流沖擊極易造成器件失效。值得注意的是,SiC材料的介電常數(shù)約為二氧化硅（SiO₂）的3倍,因此在雪崩狀態(tài)下,MOSFET氧化層承受的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于SiC的電場(chǎng)強(qiáng)度,這使柵氧化層面臨嚴(yán)峻的可靠性挑戰(zhàn)。利用非鉗位感性負(fù)載下的開關(guān)過程（Unclamped Inductive Switching,UIS）可模擬器件在系統(tǒng)應(yīng)用中所承受的極端電應(yīng)力情況,可用于評(píng)估器件的抗雪崩能力。本文旨在設(shè)計(jì)一款1700V SiC MOSFET器件,并針對(duì)其UIS動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究,以提高SiC MOSFET器件的雪崩魯棒性。本文首先利用半導(dǎo)體數(shù)值分析工具Silvaco TCAD設(shè)計(jì)優(yōu)化了1700V SiC MOSFET器件元胞結(jié)構(gòu)的物理尺寸參... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：77 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

平面型SiCMOSFET元胞示意圖[13]

來高界面態(tài)密度。此外，SiO2/SiC界面鈍化工藝也是獲得高質(zhì)量的介質(zhì)/半導(dǎo)體材料界面的方式，目前普遍采用的是氮化工藝，即熱氧化后的退火是處于含氮的氛圍中。氮化技術(shù)是目前改善界面態(tài)中最為常見的技術(shù)[19]，包括Cree和Rohm在MOSFET器件商業(yè)化量產(chǎn)中也是采用氮化技術(shù)作為鈍化工藝。1996年，BaligaB.J改善了平面型MOSFET器件結(jié)構(gòu)，在N+源區(qū)和Pbase區(qū)下方進(jìn)行P+注入，形成了P+埋層作為電場(chǎng)的屏蔽結(jié)構(gòu)，可以降低柵氧化層的電場(chǎng)強(qiáng)度[20]。通過合理地設(shè)計(jì)屏蔽層的寬度可以保持對(duì)柵氧化層電場(chǎng)較高的屏蔽能力。（a）（b）（c）圖1-2溝槽MOSFET元胞結(jié)構(gòu)示意圖。（a）UMOSFET[21]；（b）有P+shield層的UMOSFET[22]；（c）DoubletrenchMOSFET[23]1994年，J.W.Palmour等人首次報(bào)道并且制備了SiCUMOSFET，器件消除了

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文6Rb上產(chǎn)生一定的壓降。當(dāng)電流增大到一定時(shí)，Rb兩端的電壓大于寄生BJT的開啟電壓，則寄生BJT導(dǎo)通，電流迅速增大，器件失效。因此，器件具備防止寄生雙極型晶體管開啟的抗雪崩能力是十分重要的，尤其在實(shí)際應(yīng)用中需要嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。目前已經(jīng)報(bào)道了幾種抑制寄生雙極型晶體管開啟的方法：一種是使用高能離子注入或者采用側(cè)壁工藝來降低N+源下方的P-Base的電阻[25]。然而，在不改變閾值電壓的情況下控制摻雜濃度和側(cè)壁的幾何形狀是相當(dāng)困難的。另一種方法是將電流的方向從P-Base的彎曲區(qū)域轉(zhuǎn)移到P-Base的底部，從而減小N+源區(qū)下面的電流，Rb兩端的壓降也減小了，從而減小了寄生雙極型晶體管開啟的可能[26]。相比于第一種從工藝角度減小P-Base寄生電阻的方法，設(shè)計(jì)能夠轉(zhuǎn)移電流路徑的新結(jié)構(gòu)可以大大降低器件制備的難度。圖1-3平面型MOSFET中NPN寄生晶體管原理圖[25]2008年，韓國(guó)電氣工程學(xué)院的In-HwanJi等人提出了采用分段溝槽P-body接觸的新型功率MOSFET以改善雪崩能量，如圖1-4（b）所示。P-body的深溝槽結(jié)構(gòu)改變了擊穿點(diǎn)，轉(zhuǎn)移了電流路徑，有效地提高了雪崩能量，采用的分段溝槽P-body接觸在不犧牲器件其他特性、不增加額外成本的基礎(chǔ)上提高了UIS性能。然而，分段的溝槽P-body接觸會(huì)降低溝槽的連續(xù)性和n+源極接觸的自對(duì)準(zhǔn)程度，導(dǎo)致器件具備不均勻的阻斷特性和導(dǎo)通特性[27]。圖1-4（a）平面型MOSFET；（b）提出的新結(jié)構(gòu)[27]

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]高能離子注入SiC后的離子分布和損傷程度研究[J]. 陳杰,鄧二平,趙志斌,郭楠偉,黃永章,楊霏.  智能電網(wǎng). 2017(08)
[2]寬禁帶半導(dǎo)體SiC功率器件發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 張波,鄧小川,張有潤(rùn),李肇基.  中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào). 2009(02)

碩士論文
[1]4H-SiC UMOS的器件設(shè)計(jì)與關(guān)鍵工藝研究[D]. 戶金豹.電子科技大學(xué) 2015



本文編號(hào)：3021635