4H-SiC PiN功率二極管研制及其關鍵技術研究.pdf

1、碳化硅(SiC)由于具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽和漂移速度高、熱導率高以及抗輻射位移能高等優(yōu)點，成為制備高溫、高頻、大功率和抗輻射電力電子器件極具潛力的寬帶隙半導體材料。在功率電力電子系統(tǒng)中，一個良好的整流器應具有耐高壓、低漏電、大電流處理能力等特性，因此作為一種雙極載流子器件，4H-SiC PiN二極管就成為了重要的大功率整流器關鍵部件。近些年來，國外對于4H-SiC PiN功率二極管已有了很多的研究報道，取得了良好的階段性

2、成果，但是在器件制備的關鍵技術如Mesa刻蝕、P型歐姆接觸以及實用可靠的終端設計等方面，還存在較多的問題和難點。而國內由于受材料制備和較高的工藝要求等因素限制，相關的實驗報道還很少。本文主要在以下幾個方面對4H-SiC PiN功率二極管的關鍵技術以及器件整體制造做出了針對性的研究：
　　1.理論分析了4H-SiC PiN功率二極管的直流器件物理特性，以及與4H-SiC材料特性相關的物理機制影響因素和器件設計要點。建立了合適的數(shù)值分

3、析物理模型，同時給出了可靠的模型材料參數(shù)。
　　2.基于ICP-Bosch刻蝕工藝和F-O基刻蝕氣體，系統(tǒng)研究了4H-SiC Mesa刻蝕中的微溝槽效應、形貌缺陷等問題及其解決方法。首先，通過研究鈍化氣體流量對刻蝕速率、形貌的影響，分析了鈍化作用機制和流量優(yōu)化規(guī)律。其次，通過對比不同的刻蝕時間(te)/鈍化時間(tp)以及二者比例所產(chǎn)生的刻蝕效果，建立了刻蝕過程對比模型，結合鈍化作用分析了微溝槽的形成、擴展以及消除機理，并提出了“

4、高頻刻蝕”概念，由此獲得了無微溝槽的Mesa刻蝕形貌。最后，研究分析了ICP/Bias功率比對刻蝕形貌的影響，研究表明過大或過小的ICP/Bias功率比都會引起物理和化學刻蝕機制的失衡，從而導致Mesa形貌產(chǎn)生嚴重的缺陷。
　　3.基于不同的Ti/Al基接觸方案對比，系統(tǒng)研究了在外延特征粗糙表面（Step-bunching）上制備的P型4H-SiC歐姆接觸特性。通過分析表面狀態(tài)變化的內因及其對接觸系統(tǒng)內在相變的影響，揭示了歐姆接觸

5、形成的“step-bunching有利機制”，即高溫下金半之間的強固相反應動力使亞穩(wěn)態(tài)結構的step-bunching分解，過量析出的C、Si原子主導了界面及接觸層中C、Si相的種類，形成了全局分布的非晶SiC以及有利于歐姆接觸特性的Ti3SiC2和石墨態(tài)。電學特性和微結構表征進一步揭示了“液相輔助界面反應機制”對Ti/Al P型歐姆接觸的形成和促進作用，即高度的合金界面液相有助于有序結構的(0001) Ti3SiC2//(0001)S

6、iC異質外延界面的形成?；跉W姆形成和促進機制的討論，采用50％低Al組分的Ti(100 nm)/Al(100 nm)接觸，并經(jīng)過1000 ℃/3 min退火，在具有顯著step-bunching表面的高摻雜P型4H-SiC外延層上制備了達到國際領先水平的歐姆接觸，測試得到的比接觸電阻值為2.7×10?6Ωcm2。同時實現(xiàn)了接觸退火形貌的改善。
　　4.對4H-SiC PiN功率二極管從材料制備、版圖與工藝流程設計、器件制造到電學

7、特性測試分析做了初步系統(tǒng)的研究。通過優(yōu)化外延工藝和加入緩沖層結構，生長得到了具有低表面結構缺陷密度的連續(xù)外延P+N結構。其中，N型漂移區(qū)（i區(qū)）的摻雜濃度和厚度分別約為5×1015 cm-3和15.5μm。器件采用單一Mesa刻蝕終端，經(jīng)過氧化、歐姆接觸形成、PI固化等工藝步驟，完成流片制造。室溫直流特性測試顯示，大管芯器件（電極面積0.023 cm2）的正向開態(tài)電流可達30 A，特征導通電阻為0.76 mΩcm2；最大擊穿電壓約為13

8、00 V，由此可得器件品質因數(shù)為2224 MW/cm2。小管芯器件（Mesa面積0.005 cm2）的最大擊穿電壓約為1565 V。升溫直流特性測試揭示了載流子遷移率在高溫高電流下的退化現(xiàn)象，改變了PiN二極管的開態(tài)負溫度變化趨勢。分別對Mesa微溝槽、P型歐姆接觸質量差異進行了量化的電學特性評估。結果表明，微溝槽使器件擊穿特性退化，而對器件的漏電及正向特性沒有影響。P型歐姆接觸質量直接影響器件的開態(tài)壓降大小以及大電流處理能力。對封裝器

9、件進行反向恢復測試，提取少子壽命約為1μs。最后，通過對比實驗結果與低場遷移率模型修正的數(shù)值仿真，驗證了所制備的器件在正向開態(tài)下存在遷移率各向異性效應的影響。
　　5.基于多區(qū)效應原理，設計了一種單注入形成的多臺階 JTE結構（Single implantedmultiple steps JTE，SIMS-JTE），并仿真研究了SIMS-JTE摻雜劑量、step電荷梯度等結構參數(shù)對10 kV級4H-SiC PiN功率二極管擊穿特性

10、的影響。根據(jù)電場分布變化，分析了SIMS-JTE結構具有高擊穿效率和寬優(yōu)值劑量窗口的基本物理機制，即多區(qū)step分享電場并逐級發(fā)揮效用，緩解了電場集中且使最大峰值電場位緩慢漂移變化。step電荷梯度大小強烈影響多區(qū)作用效率，根據(jù)優(yōu)值電荷梯度分析，歸納得到了step設計的一般原則。另外，針對SIMS-JTE所需的階梯注入掩模，提出了一種精確實用的多層Al膜淀積技術。并通過離子注入仿真和實驗對比，分析了不同厚度Al膜對step注入分布的影響