高性能4H-SiC功率VDMOSFET器件設(shè)計及關(guān)鍵工藝研究
發(fā)布時間：2021-09-19 19:50
碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表,相比前兩代半導(dǎo)體材料,擁有優(yōu)越的材料特性（擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速度高,抗輻射能力強）,更適用于制作高溫、高頻、抗輻射的功率器件。近年,隨著功率器件應(yīng)用的發(fā)展,硅基器件因其自身材料的限制,在高電壓,高轉(zhuǎn)換效率和功率密度等方面已無法滿足更高性能的要求,因此使得包括SiC在內(nèi)的第三代半導(dǎo)體成為替代Si基的首選材料。SiC功率MOSFET作為一種重要的功率器件,由于簡單的柵極驅(qū)動電路、高工作頻率、高功率密度以及高轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點,目前正逐漸地應(yīng)用在電力電子系統(tǒng)中。雖然近幾年4H-SiC MOSFET國內(nèi)外研究取得了矚目的進展,但是在SiO2/SiC界面質(zhì)量、柵電壓穩(wěn)定性、高可靠性終端結(jié)構(gòu)設(shè)計、高可靠歐姆接觸制備工藝和器件更高性能設(shè)計要求等方面,還存在著問題,制約著4H-SiC MOSFET性能進一步提高。本文針對以上提出的部分問題展開了以下四個方面的理論和實驗研究,主要的研究內(nèi)容及創(chuàng)新成果如下:1)高遷移率、高可靠性柵氧化層工藝的研究。設(shè)計了NO/O2/NO三明治式的氮退火工藝實驗,采用此工藝進...
【文章來源】：西安電子科技大學(xué)陜西省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：139 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
SiC功率器件應(yīng)用領(lǐng)域
4H,6H SiC Si-C 堆垛示意圖堆垛順序會顯著影響半導(dǎo)體材料的電氣特性，比如 4H-S在三者之間最大(3.26 eV)。目前 4H-SiC 和 6H-SiC 襯底結(jié)構(gòu)相比 6H 擁有更大的帶隙和電子遷移率，是目前電力.1 對比了幾種半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵電氣特性參數(shù)。表1.1 不同半導(dǎo)體材料電氣特性關(guān)鍵參數(shù)[18-20]數(shù) 4H-SiC 6H-SiC GaN GaAs 金剛g(eV) 3.26 3.0 3.44 1.41 5 εs(F/cm) 9.7 9.7 9.0 13.1 5c(MV/cm) 3.0 3.0 3.3 0.4 1 μn(cm2/V·s) 900 380 900 8500 19 vsat(107cm/s) 2.0 2 2.5 2.0 2(W/cm·K) 4.9 4.9 1.1 0.55 2
諶??4H-SiC MOSFETs 柵氧化層新型氮退火工藝的研究31圖3.2 不同的 O 空位和界面陷阱在熱氧化形成的 SiO2/SiC 界面的位置3.2 新型氮退火工藝的研究3.2.1 實驗設(shè)計一、實驗方案為了能夠更好的提高界面質(zhì)量，降低界面態(tài)密度，提高器件溝道遷移率和閾值電壓穩(wěn)定性，氮退火工藝仍然需要進一步的優(yōu)化和改進，傳統(tǒng)的氮退火工藝是在生長好氧化層后進行一次 NO 氣體氛圍的高溫?zé)嵬嘶穑ㄟ^高溫使得 NO 氣體擴散到SiO2/SiC 界面，使得 O 原子繼續(xù)氧化 SiC，N 原子則和 C 的懸掛鍵結(jié)合，從而達(dá)到鈍化界面的目的。界面氮的引入量會影響鈍化效果，通常工藝中會通過控制退火的溫度和時間來實現(xiàn)界面氮的引入量
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Low specific contact resistance on epitaxial p-type 4H-SiC with a step-bunching surface[J]. 韓超,張玉明,宋慶文,湯曉燕,張義門,郭輝,王悅湖. Chinese Physics B. 2015(11)
[2]采用場限環(huán)終端的2.5mΩ·cm2,1750V4H-SiC結(jié)勢壘肖特基二極管（英文）[J]. 任娜,盛況. 中國電機工程學(xué)報. 2015(21)
[3]1700V碳化硅MOSFET設(shè)計[J]. 黃潤華,陶永洪,柏松,陳剛,汪玲,劉奧,衛(wèi)能,李赟,趙志飛. 固體電子學(xué)研究與進展. 2014(06)
[4]美、日、歐寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展研究[J]. 陳海明. 半導(dǎo)體技術(shù). 2010(08)
[5]國外軍事和宇航應(yīng)用寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展[J]. 趙小寧,李秀清. 半導(dǎo)體技術(shù). 2009(07)
[6]SiC微波半導(dǎo)體在T/R組件中的應(yīng)用前景[J]. 張福瓊. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報. 2008(06)
博士論文
[1]高性能4H-SiC SBD/JBS器件設(shè)計及實驗研究[D]. 袁昊.西安電子科技大學(xué) 2017
[2]4H-SiC功率UMOSFETs的設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 宋慶文.西安電子科技大學(xué) 2012
本文編號：3402229
【文章來源】：西安電子科技大學(xué)陜西省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：139 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
SiC功率器件應(yīng)用領(lǐng)域
4H,6H SiC Si-C 堆垛示意圖堆垛順序會顯著影響半導(dǎo)體材料的電氣特性，比如 4H-S在三者之間最大(3.26 eV)。目前 4H-SiC 和 6H-SiC 襯底結(jié)構(gòu)相比 6H 擁有更大的帶隙和電子遷移率，是目前電力.1 對比了幾種半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵電氣特性參數(shù)。表1.1 不同半導(dǎo)體材料電氣特性關(guān)鍵參數(shù)[18-20]數(shù) 4H-SiC 6H-SiC GaN GaAs 金剛g(eV) 3.26 3.0 3.44 1.41 5 εs(F/cm) 9.7 9.7 9.0 13.1 5c(MV/cm) 3.0 3.0 3.3 0.4 1 μn(cm2/V·s) 900 380 900 8500 19 vsat(107cm/s) 2.0 2 2.5 2.0 2(W/cm·K) 4.9 4.9 1.1 0.55 2
諶??4H-SiC MOSFETs 柵氧化層新型氮退火工藝的研究31圖3.2 不同的 O 空位和界面陷阱在熱氧化形成的 SiO2/SiC 界面的位置3.2 新型氮退火工藝的研究3.2.1 實驗設(shè)計一、實驗方案為了能夠更好的提高界面質(zhì)量，降低界面態(tài)密度，提高器件溝道遷移率和閾值電壓穩(wěn)定性，氮退火工藝仍然需要進一步的優(yōu)化和改進，傳統(tǒng)的氮退火工藝是在生長好氧化層后進行一次 NO 氣體氛圍的高溫?zé)嵬嘶穑ㄟ^高溫使得 NO 氣體擴散到SiO2/SiC 界面，使得 O 原子繼續(xù)氧化 SiC，N 原子則和 C 的懸掛鍵結(jié)合，從而達(dá)到鈍化界面的目的。界面氮的引入量會影響鈍化效果，通常工藝中會通過控制退火的溫度和時間來實現(xiàn)界面氮的引入量
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Low specific contact resistance on epitaxial p-type 4H-SiC with a step-bunching surface[J]. 韓超,張玉明,宋慶文,湯曉燕,張義門,郭輝,王悅湖. Chinese Physics B. 2015(11)
[2]采用場限環(huán)終端的2.5mΩ·cm2,1750V4H-SiC結(jié)勢壘肖特基二極管（英文）[J]. 任娜,盛況. 中國電機工程學(xué)報. 2015(21)
[3]1700V碳化硅MOSFET設(shè)計[J]. 黃潤華,陶永洪,柏松,陳剛,汪玲,劉奧,衛(wèi)能,李赟,趙志飛. 固體電子學(xué)研究與進展. 2014(06)
[4]美、日、歐寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展研究[J]. 陳海明. 半導(dǎo)體技術(shù). 2010(08)
[5]國外軍事和宇航應(yīng)用寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展[J]. 趙小寧,李秀清. 半導(dǎo)體技術(shù). 2009(07)
[6]SiC微波半導(dǎo)體在T/R組件中的應(yīng)用前景[J]. 張福瓊. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報. 2008(06)
博士論文
[1]高性能4H-SiC SBD/JBS器件設(shè)計及實驗研究[D]. 袁昊.西安電子科技大學(xué) 2017
[2]4H-SiC功率UMOSFETs的設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 宋慶文.西安電子科技大學(xué) 2012
本文編號：3402229
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