碳化硅（SiC）材料作為第三代寬禁帶半導體材料,以其為襯底制備的金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET）具備優(yōu)越的性能。然而,在功率轉換領域應用中,MOSFET在關斷瞬間,外接或寄生的電感存儲的能量通過功率器件釋放,迫使器件發(fā)生雪崩擊穿,產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氧化層承受的電場強度遠高于SiC的電場強度,這使柵氧化層面臨嚴峻的可靠性挑戰(zhàn)。利用非鉗位感性負載下的開關過程（Unclamped Inductive Switching,UIS）可模擬器件在系統(tǒng)應用中所承受的極端電應力情況,可用于評估器件的抗雪崩能力。本文旨在設計一款1700V SiC MOSFET器件,并針對其UIS動態(tài)特性進行研究,以提高SiC MOSFET器件的雪崩魯棒性。本文首先利用半導體數(shù)值分析工具Silvaco TCAD設計優(yōu)化了1700V SiC MOSFET器件元胞結構的物理尺寸參... 

【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：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量的介質/半導體材料界面的方式，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。氮化技術是目前改善界面態(tài)中最為常見的技術[19]，包括Cree和Rohm在MOSFET器件商業(yè)化量產中也是采用氮化技術作為鈍化工藝。1996年，BaligaB.J改善了平面型MOSFET器件結構，在N+源區(qū)和Pbase區(qū)下方進行P+注入，形成了P+埋層作為電場的屏蔽結構，可以降低柵氧化層的電場強度[20]。通過合理地設計屏蔽層的寬度可以保持對柵氧化層電場較高的屏蔽能力。（a）（b）（c）圖1-2溝槽MOSFET元胞結構示意圖。（a）UMOSFET[21]；（b）有P+shield層的UMOSFET[22]；（c）DoubletrenchMOSFET[23]1994年，J.W.Palmour等人首次報道并且制備了SiCUMOSFET，器件消除了

電子科技大學碩士學位論文6Rb上產生一定的壓降。當電流增大到一定時，Rb兩端的電壓大于寄生BJT的開啟電壓，則寄生BJT導通，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，尤其在實際應用中需要嚴格的設計。目前已經報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壁的幾何形狀是相當困難的。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，設計能夠轉移電流路徑的新結構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，韓國電氣工程學院的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的深溝槽結構改變了擊穿點，轉移了電流路徑，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上提高了UIS性能。然而，分段的溝槽P-body接觸會降低溝槽的連續(xù)性和n+源極接觸的自對準程度，導致器件具備不均勻的阻斷特性和導通特性[27]。圖1-4（a）平面型MOSFET；（b）提出的新結構[27]

【參考文獻】：
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]寬禁帶半導體SiC功率器件發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 張波,鄧小川,張有潤,李肇基.  中國電子科學研究院學報. 2009(02)

碩士論文
[1]4H-SiC UMOS的器件設計與關鍵工藝研究[D]. 戶金豹.電子科技大學 2015



本文編號：3021635