高壓SiC JFET器件的設計、制備與應用研究.pdf

1、摘要摘要作為寬禁帶半導體的典型代表，碳化硅(SiC)被認為是功率半導體器件的理想材料。與硅(Si)基器件相比，SiC功率器件具有高擊穿電壓、高工作頻率以及耐高溫等特點，有望進一步擴展電力電子技術在電網(wǎng)、新能源發(fā)電、車輛牽引以及國防技術等多個領域的應用范圍。特別是在中高電壓領域(3300V“500V)，隨著我國高鐵事業(yè)的蓬勃發(fā)展和城市軌道交通的不斷進步，高頻SiC基器件和功率模塊具有較大的性能優(yōu)勢和應用前景。然而，目前學術界和工業(yè)界對中高

2、壓領域SiC器件關注不足，對中高壓SiC功率模塊及相關應用的研究和報道有限。對此，基于SiC溝槽注入柵結型場效應晶體管(TIJFET)結構，本工作在結構設計、芯片制備及多芯片并聯(lián)封裝等多層面對中高壓SiC功率器件展開了系統(tǒng)的研究，并最終實現(xiàn)了基于高壓SiC功率模塊的變換器樣機制備和展示。本論文的主要工作及創(chuàng)新點包括：1、本文對SiCTIJFET器件結構進行了系統(tǒng)性的建模和仿真工作，首次提出了導通和阻斷間“門極電壓擺幅”的指標參數(shù)，并對其

3、與器件其他指標參數(shù)的關系進行了討論。在模型分析方面，通過引入遷移率飽和模型，本文對SiCJFET器件溝道在飽和區(qū)和線性區(qū)工作狀態(tài)進行了建模和整理，建立了更為精確的溝道電壓電流模型；基于碰撞電離模型，對SiC器件外延層參數(shù)和擊穿電壓的關系進行了理論分析。在結構仿真方面，基于有限元分析軟件，本文對SiCTIJFET器件結構進行了一系列的仿真研究，分析了關鍵結構參數(shù)對器件的輸出、轉移以及阻斷特性的影響，并提供了優(yōu)化的高壓SiC器件元胞和終端結

4、構設計方案。2、本文對SiCTIJFET器件制備中的關鍵技術和工藝流程進行了開發(fā)和整合，優(yōu)化了離子注入后高溫退火工藝，將使用鈍化層保護的最高溫度提高到1600。C。在工藝開發(fā)方面，使用以Ti／Ni金屬為刻蝕掩膜，SF6為反應氣體的刻蝕方法，得到了側壁形貌良好，底部平整度高的SiC溝槽結構；使用改進的SiC離子注入退火保護技術，將退火后的SiC表面粗糙度降低近1個數(shù)量級，并有效提高制備器件的一致性和良率。在器件制備方面，在實驗室成功制備出

5、1200V等級和4500V等級SiCTIJFET器件。1200V器件的最低比導通電阻僅為AbstractsAbstractBeingasonetypicalrepresentativeofwidebandmaterial，SiChasalwaysbeenregardedasanidealmaterialforpowerdevicesComparedwithSidevices，SiCbasedpowerdevicesshallhavehi

6、gherbreakdownvoltage，higherworkingtemperatureandhigherswitchingfrequencyAndtheyareexpectedtoexpandtheusageofpowerelectronicstechnologyinmultipleareas，includingpowergrid，renewableenergygeneration，traintransportationandnat

7、ionaldefenseEspeciallyinthemidvoltagerange(3300V6500V)，SiCpowerdevicesandpowermodulesshowanevenbetterworkingperformanceandapplicationprospectsHowevertheresearchonmidvoltagerangeSiCpowerdeviceissomehowlimitedAndfewerworks

8、arefocusedonmidvoltagerangeSiCpowermodulesandtheirapplications。Inthiswork，basedonSiCTrench—and—ImplantedJFET(TI—JFET)devicestructure，asystematicstudyispresentedonitsstructuredesign，fabricationprocessdevelopmentandhighvol

9、tagemoduleAlso，thisworkdemonstratesthefabricationandtestingresultsofhighvoltageSiCTI—JFETchipsandmodules，andtheirapplicationsinaDC—DCconveaenThemaincontributionsofmisWOrkinclude：1Theworkpresentsasystemicmodelingandsimula

10、tionstudyonSiCTIJFETstructureAndanewdeviceparameternamed“gatevoltageswing’’isputforwardforthefirsttimeWiththeelectronvelocitysaturationmodel，theworkingmodesinbothlinearregionandsaturationregionarestudiedAndamorepreciousm

11、odelisputforwardAlsowiththefiniteelementanalysissoftware，aseriesofsimulationworkisconductedbasedonSiCTI—JFETstructureAndanoptimizedcelldesignandterminationstructureisalsopresented2Theworksshowsthedevelopmentofsomekeyfabr

12、icationprocessesofSiCTIJFETdeviceandtheprocessintegrationisalsopresentedByaddingpostannealingprocesses，theworkingtemperatureofpassivationlayerprotectedprocessisincreasedto16000CforthefirsttimeWiththehardmaskofTi／NiandSF6

13、basedetchingprocess，asmoothetchsurfaceandtrenchprofileisobtainedwithSiCwafer；withimprovedhightemperatureannealingprocess，thesurfaceroughnessisreducedbyoneorderofmagnitudeBoth1200Vand4500VSiCJFETdevicesarefabricatedingrou