本文關鍵詞：新型碳化硅功率二極管的研究

  更多相關文章： 碳化硅 結勢壘肖特基二極管 溝槽型結勢壘肖特基二極管 夾斷型勢壘二極管 正向導通 反向漏電流

【摘要】：隨著綠色高效能源轉換的迫切要求和電力電子技術的不斷發(fā)展,以硅材料為基礎的傳統(tǒng)電力電子器件的物理局限性日益顯現(xiàn),嚴重制約了器件的工作電壓、工作電流、工作頻率、工作溫度、耗散功率和抗輻射等性能的提高。碳化硅材料作為新一代卓越的寬禁帶半導體材料,使得碳化硅器件將成為綠色能源革命時代的代表性器件。目前碳化硅器件已經取得了令人矚目的成就,在一些重要的能源領域開始逐步取代硅基電力電子器件,并初步展現(xiàn)出其巨大的潛力。在多種器件類型中,碳化硅二極管作為一種應用最為廣泛也最簡單的器件結構,首先得到了商業(yè)化發(fā)展,但其理論研究還需要得到進一步的完善,而且碳化硅二極管的工藝技術存在一些技術難點,對于國內剛剛起步的碳化硅器件研究來說更是如此,因此本文針對低壓(1700V)和高壓(6000V)兩種電壓等級,對碳化硅結勢壘肖特基二極管進行了結構設計、理論建模和工藝實驗多方面的系統(tǒng)性研究,并對一種夾斷型勢壘新型二極管進行了研究和探討,主要包括以下內容：為了改善傳統(tǒng)平面型結勢壘肖特基二極管較弱的電場屏蔽效應引起的軟擊穿特性,近年來許多團隊對新型溝槽型結構進行了報道。本文對碳化硅溝槽型結勢壘肖特基二極管和傳統(tǒng)平面型結勢壘肖特基二極管進行了較為系統(tǒng)的對比研究,針對1700V和6000V兩種電壓等級,對兩種器件結構以仿真設計、理論模型和實驗分析的多種手段和多方面角度進行了剖析,并提出溝槽型結勢壘肖特基二極管具有更寬的設計窗口和更佳的優(yōu)化性能,該結論得到了仿真結果、模型計算和實驗結果的驗證。碳化硅結勢壘肖特基二極管的正向導通特性的理論模型研究已經十分清晰,但反向電場分布和阻斷特性的理論模型研究卻并不完善。傳統(tǒng)的反向阻斷特性模型是基于表面電場的擬合公式而建立的,擬合公式不僅存在準確度較差的缺點,而且無法完全適用于各種不同結構參數(shù)設計的場合。本文建立了碳化硅結勢壘肖特基二極管反向阻斷特性理論模型,提出了反向電場分布的準二維數(shù)學模型,并基于該反向電場的模型建立了漏電流的物理模型。模型的有效性和準確度得到了仿真結果和實驗結果的驗證。并且本文還基于正向導通特性和反向阻斷特性模型,對碳化硅結勢壘肖特基二極管進行了理論的結構優(yōu)化設計。由于結勢壘肖特基二極管的肖特基勢壘容易受到能級釘扎現(xiàn)象和工藝狀況的影響,同時勢壘高度的調節(jié)受到有限幾種金屬選擇的限制,導致二極管的開啟電壓可控性很差,這對于開啟電壓較高的碳化硅肖特基二極管來說尤為重要；除此之外,肖特基勢壘還受到鏡像力勢壘降低效應的影響,導致其勢壘高度隨反偏電壓的增加而降低。為了提高對二極管勢壘高度的控制,實現(xiàn)勢壘高度在較大范圍內的連續(xù)可調,本文提出了一種夾斷型勢壘的新型二極管結構,并對其進行了較為系統(tǒng)的研究和探討,以仿真結構設計、物理能帶分析和實驗研制的多種手段和多方面角度,闡明了該夾斷型勢壘新型二極管的工作原理。在傳統(tǒng)的肖特基結和PN結兩種勢壘二極管的基礎上,開創(chuàng)了一種夾斷型勢壘二極管的研究方向。
【關鍵詞】：碳化硅 結勢壘肖特基二極管 溝槽型結勢壘肖特基二極管 夾斷型勢壘二極管 正向導通 反向漏電流
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN313.4
【目錄】：

• 致謝5-8
• 摘要8-10
• Abstract10-15
• 第一章 緒論15-36
• 1.1 碳化硅材料15-17
• 1.1.1 碳化硅材料的特性15-17
• 1.1.2 碳化硅材料的發(fā)展17
• 1.2 碳化硅二極管的工藝技術17-27
• 1.2.1 刻蝕17-19
• 1.2.2 離子注入19-20
• 1.2.3 熱氧化20-21
• 1.2.4 歐姆接觸21-23
• 1.2.5 肖特基接觸23-27
• 1.3 碳化硅二極管的應用27-28
• 1.4 碳化硅二極管的研究和發(fā)展28-33
• 1.4.1 碳化硅肖特基二極管28-29
• 1.4.2 碳化硅新型結構肖特基二極管29-30
• 1.4.3 碳化硅PN結二極管30-31
• 1.4.4 襯底減薄技術31
• 1.4.5 終端技術31-33
• 1.5 本文的選題意義及主要研究內容33-36
• 1.5.1 本文的選題意義33-34
• 1.5.2 本文的主要研究內容34-36
• 第二章 碳化硅結勢壘肖特基二極管的結構設計和仿真研究36-73
• 2.1 外延層參數(shù)設計36-39
• 2.2 仿真模型39-40
• 2.3 有源區(qū)結構仿真研究40-50
• 2.3.1 1700V碳化硅結勢壘肖特基二極管的仿真研究40-45
• 2.3.2 6000V碳化硅結勢壘肖特基二極管的仿真研究45-50
• 2.4 終端結構仿真研究50-71
• 2.4.1 1700V場限環(huán)終端結構仿真50-57
• 2.4.2 6000V場限環(huán)終端結構仿真57-59
• 2.4.3 新型終端結構仿真研究59-71
• 2.5 本章小結71-73
• 第三章 碳化硅結勢壘肖特基二極管的實驗結果73-86
• 3.1 1700V碳化硅結勢壘肖特基二極管74-77
• 3.1.1 正向特性實驗結果74-75
• 3.1.2 反向特性實驗結果75-76
• 3.1.3 實驗結果分析76-77
• 3.2 6000V碳化硅結勢壘肖特基二極管77-85
• 3.2.1 正向特性實驗結果77-81
• 3.2.2 反向特性實驗結果81-82
• 3.2.3 改進實驗結果82-83
• 3.2.4 實驗結果分析83-85
• 3.3 本章小結85-86
• 第四章 碳化硅結勢壘肖特基二極管的建模和優(yōu)化設計86-114
• 4.1 導通特性的建模86-96
• 4.1.1 能帶分析86-91
• 4.1.2 導通特性模型91-96
• 4.2 阻斷特性的建模96-110
• 4.2.1 能帶分析96-100
• 4.2.2 準二維電場分布模型100-106
• 4.2.3 漏電流模型106-110
• 4.3 碳化硅結勢壘肖特基二極管的結構優(yōu)化設計110-113
• 4.4 本章小結113-114
• 第五章 碳化硅夾斷型勢壘新型二極管的研究114-132
• 5.1 器件設計和仿真研究114-125
• 5.1.1 金屬-半導體接觸勢壘對器件勢壘高度的調制作用115-116
• 5.1.2 PN結的結深和結間距對器件勢壘高度的調制作用116
• 5.1.3 PBR二極管的結構設計116-125
• 5.2 PBR二極管的實驗結果125-128
• 5.2.1 正向特性實驗結果126
• 5.2.2 反向特性實驗結果126-128
• 5.2.3 實驗結果分析128
• 5.3 PBR二極管的進一步優(yōu)化設計128-131
• 5.4 本章小結131-132
• 第六章 結論與展望132-136
• 6.1 本文工作總結132-134
• 6.2 后續(xù)研究展望134-136
• 參考文獻136-143
• 攻讀博士學位期間的科研成果143

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本文編號：551837