本文關(guān)鍵詞：高性能4H-SiC BJT器件設(shè)計及制備技術(shù)研究　出處：《西安電子科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：基于寬帶隙、高臨界擊穿電場和高熱導(dǎo)率等優(yōu)良的物理特性,碳化硅(SiC)被認(rèn)為是新一代功率器件的適用材料之一,在高壓、高頻以及高溫等條件下有著廣泛的應(yīng)用前景。其中,4H-SiC雙極型晶體管(BJT)作為一種重要的功率開關(guān)器件,具有導(dǎo)通電阻低、開關(guān)速度快以及可靠性高等優(yōu)勢,非常適合于在超高壓(5000V)、大電流以及極端溫度(500℃)等環(huán)境中工作。近些年來,國外針對4H-SiC BJT的研究取得了突破型進(jìn)展,但國內(nèi)從材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及器件研制等不同層次均存在較大差距。本論文基于前期的研究基礎(chǔ),以提高4H-SiC BJT器件整體性能為目的,主要的研究成果如下：1、深入研究了4H-SiC BJT的物理機(jī)制和模型。在常規(guī)的4H-SiC器件仿真模型基礎(chǔ)上,加入了影響基區(qū)表面復(fù)合電流的SiC/SiO2界面態(tài)模型,并與自主研制的雙層高斯摻雜基區(qū)4H-SiC BJT器件測試結(jié)果比較,驗證了該模型的準(zhǔn)確性。提出了影響基區(qū)體內(nèi)復(fù)合電流的發(fā)射結(jié)深能級缺陷模型,通過與文獻(xiàn)結(jié)果比較對該模型進(jìn)行了仿真驗證,得出了能級位置以及俘獲截面面積參數(shù)。研究了4H-SiC BJT作為功率開關(guān)管時的兩個主要工作模式,以及電流增益、導(dǎo)通電阻、擊穿電壓和開關(guān)時間的器件表征參數(shù)及主要物理機(jī)制。2、4H-SiC BJT非理想效應(yīng)及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計。基于所研制的雙層基區(qū)器件測試結(jié)果,研究了發(fā)射區(qū)寬度對正向模式下電流集邊效應(yīng)的影響,摻雜濃度引起的基區(qū)電勢分布不均勻是導(dǎo)致電流在發(fā)射區(qū)集邊的主要原因；研究了基區(qū)摻雜分布對厄利效應(yīng)的影響,對比了單層基區(qū)和雙層基區(qū)器件的直流特性；研究了影響器件反向特性的基區(qū)穿通效應(yīng)和隔離槽底部電場集中現(xiàn)象。結(jié)果表明：單層基區(qū)結(jié)構(gòu)更易于工藝制作,有助于提升器件的整體性能�；谄骷墓ぷ鳈C(jī)理和上述非理想效應(yīng),分別給出了發(fā)射區(qū)、基區(qū)以及集電區(qū)的外延參數(shù)設(shè)計規(guī)則。同時,提出了改善器件擊穿特性的JTERings終端,在不增加額外工藝的前提下,該新型終端的優(yōu)值注入窗口為傳統(tǒng)JTE終端的3倍,具有更高的工藝容錯性。3、新型高電流增益4H-SiC雙極型器件研究。提出了一種具有有源區(qū)V型溝槽的4H-SiC BJT,其優(yōu)勢在于：溝槽MIS結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電場有助于電子穿越基區(qū),提高了基區(qū)輸運(yùn)系數(shù),進(jìn)而提升了器件的電流增益,同時形成的場板終端有效的改善了隔離槽底部電場集中現(xiàn)象,仿真結(jié)果顯示,當(dāng)不考慮發(fā)射結(jié)界面深能級缺陷時,VT-BJT的電流增益為常規(guī)結(jié)構(gòu)的1.66倍,加入發(fā)射結(jié)界面深能級缺陷模型時為1.79倍；進(jìn)行了4H-SiC WFD-BJT的仿真研究,該結(jié)構(gòu)采用新型材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)BJT中的PN結(jié)。結(jié)果表明：當(dāng)新型接觸材料的功函數(shù)小于4.0eV時,接觸材料內(nèi)電子注入到P-SiC的效率會顯著提升,使得器件具有較高的電流增益；模擬研究了基于4H-SiC的集成式達(dá)林頓結(jié)構(gòu)晶體管,得到了器件的基本輸入和輸出特性曲線,分析了不同驅(qū)動管和輸出管面積對器件電流增益的影響。4、SiC少子壽命研究及其對BJT特性的影響。在分析研究SiC少子壽命目前的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,外延層中的C空位是制約SiC材料少子壽命的根本原因。進(jìn)行了熱氧化法提升SiC材料少子壽命的實驗,微波光電導(dǎo)法測試結(jié)果顯示：SiC材料的少子壽命值隨氧化時間的增加而有所提升。氧化過程中形成的游離C雜質(zhì)在長時間氧化過程中有助于降低SiC材料體內(nèi)的C空位,進(jìn)而提升了少子壽命。系統(tǒng)研究了發(fā)射區(qū)空穴壽命和基區(qū)電子壽命對SiC BJT電學(xué)特性的影響。發(fā)射區(qū)空穴壽命和基區(qū)電子壽命的提升有助于提高器件的電流增益,而過高的基區(qū)電子壽命又會使動態(tài)特性的存儲時間增長,因此存在基區(qū)電子壽命的折中問題�；诤穸葹�0.6μm的4H-SiCBJT,l00ns-200ns被認(rèn)為是合適的基區(qū)少子壽命范圍。5、4H-SiC BJT實驗設(shè)計及器件制備研究。設(shè)計了4H-SiC BJT及相關(guān)雙極型器件的工藝流程及版圖。研究了TiAl基金屬在4H-SiC n型歐姆接觸上的電學(xué)特性,通過1000℃、3分鐘的快速熱退火,在摻雜濃度為2×1019cm-3的n型外延材料上實現(xiàn)歐姆接觸的比接觸電阻率為6×10-5Ω·cm2,滿足器件制作要求。進(jìn)行了終端離子注入的單步實驗,SIMS結(jié)果顯示實際的注入劑量和設(shè)計值相吻合,適合器件流片應(yīng)用。進(jìn)行了完整流片實驗,所采用的外延參數(shù)為：集電區(qū)厚度20μm、濃度3×1015cm-3,基區(qū)厚度0.6μm、濃度為4.5×1017cm-3,發(fā)射區(qū)厚度為0.8μm、濃度2×1019cm-3。對研制成功的器件進(jìn)行了初步的直流特性測試,結(jié)果顯示：SiC BJT的最大電流增益為63.6,擊穿電壓大于2000V；非隔離式SiC達(dá)林頓管最大電流增益313,擊穿電壓2050V；隔離式SiC達(dá)林頓管最大電流增益968,擊穿電壓750V。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN322.8

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