高性能4H-SiC BJT器件設(shè)計及制備技術(shù)研究.pdf

1、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展，但國內(nèi)從材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計

2、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)

3、結(jié)果比較對該模型進行了仿真驗證，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)

4、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

5、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)輸運系數(shù)，進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;進行了4H-SiC WFD-BJT的仿真研究，該結(jié)構(gòu)采用新型材料代替

6、傳統(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

7、本原因。進行了熱氧化法提升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?；?/p>

8、于厚度為0.6μm的4H-SiCBJT，100ns～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。進行了終端

9、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2×1019 cm-3。對研制成功的器件進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