4H-SiC功率肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)和結(jié)型勢(shì)壘肖特基(JBS)二極管的研究.pdf

1、碳化硅(SiC)由于具有禁帶寬度大、臨界位移能高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)而成為制作高溫、高頻、大功率和抗輻射器件極具潛力的寬帶隙半導(dǎo)體材料。在功率系統(tǒng)中，一個(gè)良好的整流器件應(yīng)具有較小的導(dǎo)通電阻、較低的泄漏電流、較高的擊穿電壓以及較快的開(kāi)關(guān)速度等特性，因此SiC功率肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)和結(jié)型勢(shì)壘肖特基(JBS)二極管就成為了很具潛力的應(yīng)用器件類(lèi)型。國(guó)外對(duì)于SiCSBD和JBS二極管已經(jīng)有了諸多報(bào)道，并且在近些年來(lái)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，而國(guó)內(nèi)對(duì)于

2、SiC功率器件制作的報(bào)道相對(duì)較少。雖然SiC材料和工藝都取得了一定的進(jìn)步，但是由于SiC材料的特殊性，在SiC器件制作工藝方面仍然存在諸多不足。本文主要在以下幾個(gè)方面對(duì)4H-SiC功率SBD和JBS二極管的設(shè)計(jì)、仿真和制作做出了針對(duì)性研究：
　　 1.理論分析了4H-SiC功率SBD和JBS二極管的器件特性和工作特點(diǎn)，建立合適的理論模型，通過(guò)ISE-TCAD軟件進(jìn)行器件特性的仿真，并分析了器件結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于器件特性的影響。

3、
　　 2.對(duì)SiC器件制作過(guò)程中的關(guān)鍵工藝進(jìn)行了分析和研究。通過(guò)LPCVD非故意摻雜生長(zhǎng)得到了質(zhì)量良好的4H-SiC N-同質(zhì)外延層：原子力顯微鏡(AFM)測(cè)試得到其平均面粗糙度(Ra)為0.64nm，均方根粗糙度(RMS)測(cè)試結(jié)果為0.78nm；傅里葉紅外線光譜分析(FTIR)測(cè)試得到其平均厚度為10μm；次級(jí)離子質(zhì)譜法(SIMS)測(cè)試得到其摻雜濃度為1015cm-3量級(jí)。另外還通過(guò)Trim軟件仿真和實(shí)驗(yàn)SIMS測(cè)試結(jié)果的對(duì)

4、比分析，研究了離子注入的劑量、能量的選定，獲得了選擇性摻雜的工藝條件。對(duì)離子激活退火的保護(hù)也通過(guò)碳膜掩蔽的方法有效控制了高溫退火導(dǎo)致的Si升華問(wèn)題，通過(guò)碳膜保護(hù)退火獲得的表面RMS測(cè)試結(jié)果為7.03nm，對(duì)于未作保護(hù)的RMS為54.77nm的表面有顯著提高。
　　 3.仿真研究了采用場(chǎng)限環(huán)終端的JBS二極管器件特性，并流片制作了采用場(chǎng)限環(huán)終端的SBD和JBS二極管。通過(guò)兩種區(qū)別工藝制作P型歐姆接觸，即獨(dú)立制作P型歐姆接觸金屬及退

5、火和一次完成正電極與歐姆接觸制作的工藝，對(duì)比了兩種工藝條件下的器件直流特性，分析了工藝過(guò)程對(duì)于器件特性的影響。
　　 4.針對(duì)場(chǎng)限環(huán)終端對(duì)于表面電荷敏感的缺陷提出了在4H-SiC SBD和JBS二極管中引入偏移場(chǎng)板終端。通過(guò)仿真和理論分析詳細(xì)研究了氧化層中電荷對(duì)于器件反向特性的影響，同時(shí)確定了結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)流片制作偏移場(chǎng)板終端的SBD和JBS器件，并通過(guò)直流特性測(cè)試、開(kāi)關(guān)特性測(cè)試、以及變溫測(cè)試等方法詳細(xì)研究分析了器件特性。通

6、過(guò)采用B離子和A1離子共同注入的方法制作P+結(jié)，在獲得較大結(jié)深的同時(shí)能夠有效減小反向恢復(fù)時(shí)間，常溫下得到了反向恢復(fù)時(shí)間僅為44ns的4H-SiC JBS二極管。同時(shí)變溫條件下的測(cè)試也證明了4H-SiC整流器在高達(dá)300℃的條件下仍具有優(yōu)越直流特性和開(kāi)關(guān)特性。
　　 5.針對(duì)離子注入工藝和離子激活退火工藝對(duì)于器件特性的影響，進(jìn)行了浮金屬場(chǎng)環(huán)終端的4H-SiC SBD的流片實(shí)驗(yàn)，并分析了Ti和Ni兩種金屬所形成的肖特基勢(shì)壘情況。采用

7、Ti制作的SBD在4.4V正向偏壓下達(dá)到了1600A/cm2的電流密度，而采用Ni制作的SBD在反向偏壓200V下獲得了小于10-7A/cm2的反向漏電流，還獲得了擊穿電壓達(dá)到850V的4H-SiC SBD。另外詳細(xì)研究了結(jié)終端擴(kuò)展JTE對(duì)于提高4H-SiC SBD器件特性的作用，通過(guò)仿真分析了JTE關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于反向擊穿電壓、表面電場(chǎng)分布的影響，給出了JTE的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和優(yōu)化參數(shù)。在流片實(shí)驗(yàn)中測(cè)得了擊穿電壓達(dá)到950V的JTE終端的4H-