發(fā)布時(shí)間：2021-02-11 09:32

　　硅基高壓功率器件的di/dt,dv/dt能力正在達(dá)到自身極限,具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高以及電子飽和漂移速度大等優(yōu)越物理特性的碳化硅（SiC）材料的研究,給新一代電力電子器件的發(fā)展帶來了希望。碳化硅柵極可關(guān)斷晶閘管（SiC GTO）是一種理想的開關(guān),具有出色的電流處理能力、極高的阻斷電壓、功耗低和快速關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn),適用于高壓大電流的脈沖功率領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí),高壓SiC GTO器件的應(yīng)用減少了硅基器件串聯(lián)數(shù)目、系統(tǒng)體積,并降低了成本,使之在高壓大功率的斬波器、逆變器及開關(guān)電路中得到發(fā)展。本文基于半導(dǎo)體二維數(shù)值分析軟件Synopsys Sentaurus TCAD,設(shè)計(jì)了一款超高壓、高脈沖電流的SiC GTO功率器件。首先,研究了SiC材料特性、分析了SiC GTO器件物理性能并建立器件仿真模型。接下來優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)參數(shù),并折衷考慮了阻斷電壓、導(dǎo)通壓降和開啟時(shí)間對(duì)器件電學(xué)性能的影響,獲得了器件P⁺陽極、N-base層、P-drift層、P-buffer層和N-buffer層的優(yōu)化尺寸參數(shù)。器件元胞擊穿電壓為13.4kV,正向開啟壓降為4.4V@1000A·... 

【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)】：82 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

功率半導(dǎo)體器件的工業(yè)應(yīng)用[2]

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文21.2SiC材料介紹Si、Ge材料作為第一代半導(dǎo)體開啟了微電子半導(dǎo)體行業(yè)；GaAs代表的第二代半導(dǎo)體因?yàn)橹苯娱g隙的材料特點(diǎn)，GaAs器件具有優(yōu)良的高頻特性，開啟了半導(dǎo)體信息產(chǎn)業(yè)；作為第三代半導(dǎo)體材料的碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)是未來戰(zhàn)略發(fā)展的重要部分。從第一個(gè)硅功率半導(dǎo)體整流器出現(xiàn)到現(xiàn)在，硅功率器件已經(jīng)為電力電子行業(yè)服務(wù)了六十多年[3]。近年來，電力系統(tǒng)的工作條件越來越嚴(yán)苛，因此對(duì)功率器件性能提出了更高的要求。例如，需要高功率器件在125℃以上的環(huán)境中仍能正常工作，并且阻斷電壓超過6.5kV，開關(guān)頻率超過1kHz。如今，功率器件都是朝著高壓、高頻的方向發(fā)展，如果只是基于硅材料，很難達(dá)到這些要求[4]。因?yàn)榛诠璧募夹g(shù)水平正在達(dá)到功率密度和開關(guān)頻率的物理極限，硅基器件的應(yīng)用已經(jīng)不能適應(yīng)未來的發(fā)展趨勢(shì)，需要研究新的材料來實(shí)現(xiàn)高壓高頻的應(yīng)用目標(biāo)。此時(shí)，碳化硅材料進(jìn)入了人們的視野。碳化硅(SiC)是由硅(Si)原子和碳(C)原子1:1組成的復(fù)合型半導(dǎo)體材料，通過兩個(gè)原子共用電子鍵形成SiC晶體，基礎(chǔ)單元呈現(xiàn)四面體結(jié)構(gòu)[5]。不同的三維堆積排列使SiC材料具有約250種結(jié)晶形態(tài)。從材料科學(xué)的角度來看，固體材料的多型性是材料具有不同晶體結(jié)構(gòu)的特性，SiC是具備較多多型體最為著名的例子之一。圖1-2所示是SiC材料三種結(jié)晶形態(tài)的球棍模型，分別是3H-SiC、4H-SiC和6H-SiC。SiC多晶型的穩(wěn)定性和成核幾率很大程度上取決于溫度，如3H-SiC存在高溫不穩(wěn)定性，在高溫(>1900℃~2000℃)時(shí)轉(zhuǎn)化成6H-SiC。(a)(b)(c)圖1-2SiC三種結(jié)晶模型：(a)3C-SiC；(b)4H-SiC；(c)6H-SiC[6]

第一章緒論3寬帶隙4H-SiC材料具有很多優(yōu)越的性能，是后硅替代品中最有前景的一種半導(dǎo)體材料。4H-SiC材料與其他三種常用于器件制備的半導(dǎo)體材料的基本參數(shù)對(duì)比如表1-1所示。表1-1材料特性的比較[7-10]PropertiesSi4H-SiCGaAsGaNCrystalStructureDiamondHexagonalZincblendeHexagonalEnergyGap:EG(eV)1.123.261.433.5ElectronMobility:μn(cm2/Vs)140090085001250HoleMobility:μp(cm2/Vs)600100400200BreakdownField:EB(V/cm)×1060.330.43ThermalConductivity(W/cm℃)1.54.90.51.3SaturationDriftVelocity:vs(cm/s)×10712.722.7RelativeDielectricConstant:S11.89.712.89.5與第一代半導(dǎo)體材料Si相比，4H-SiC具有十倍的臨界擊穿電場(chǎng)，三倍的帶隙寬度和三倍的熱導(dǎo)率。從材料特性出發(fā)，三倍的禁帶寬度意味著4H-SiC器件可以承受更高的擊穿電壓；同等耐壓級(jí)別下，十倍的臨界擊穿電場(chǎng)使4H-SiC器件外延厚度更薄，器件具有更低的電阻率；三倍熱導(dǎo)率使4H-SiC器件可以在更高的溫度下工作，散熱性能好；三倍的電子飽和遷移率使4H-SiC器件導(dǎo)通損耗更低，開關(guān)速度更快。同時(shí)，4H-SiC材料可以像Si材料一樣，摻入不同類型的雜質(zhì)成P型和N型半導(dǎo)體。這些特性使4H-SiC成為一種極具吸引力的材料，可以制造出性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Si材料的功率器件。圖1-3硅基器件與碳化硅基器件在耐壓等級(jí)上的對(duì)比[11]

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]一種帶有注入增強(qiáng)緩沖層的4H-SiC GTO晶閘管[J]. 高吳昊,陳萬軍,劉超,陶宏,夏云,譙彬,施宜軍,鄧小川,李肇基,張波.  半導(dǎo)體技術(shù). 2019(04)
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[3]SiC GTO晶閘管技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 王俊,張淵,李宗鑒,鄧林峰.  大功率變流技術(shù). 2016(05)
[4]一款700 V VDMOSFET結(jié)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 李宏杰,馮全源,陳曉培.  電子元件與材料. 2014(10)
[5]溝槽負(fù)斜角終端結(jié)構(gòu)的耐壓機(jī)理與擊穿特性分析[J]. 王彩琳,于凱.  固體電子學(xué)研究與進(jìn)展. 2011(04)
[6]場(chǎng)限環(huán)的簡(jiǎn)單理論[J]. 陳星弼.  電子學(xué)報(bào). 1988(03)

博士論文
[1]4H-SiC PiN功率二極管研制及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 韓超.西安電子科技大學(xué) 2016

碩士論文
[1]超高壓4H-SiC MOSFET器件設(shè)計(jì)及關(guān)鍵工藝研究[D]. 譚犇.電子科技大學(xué) 2019
[2]SiC雙極型功率半導(dǎo)體器件低功耗驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究[D]. 司長(zhǎng)明.湖南大學(xué) 2018
[3]超高壓4H-SiC GTO晶閘管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 劉青.西安理工大學(xué) 2017
[4]6500V碳化硅發(fā)射極關(guān)斷晶閘管仿真和特性的研究[D]. 張淵.湖南大學(xué) 2017
[5]高壓4H-SiC JBS二極管新型結(jié)終端技術(shù)研究[D]. 饒成元.電子科技大學(xué) 2013



本文編號(hào)：3028895