4H-SiC BJT功率器件新結(jié)構(gòu)與特性研究.pdf

1、碳化硅（SiC）是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，也是目前晶體生長(zhǎng)技術(shù)和器件制造水平最成熟、應(yīng)用最廣泛的寬禁帶半導(dǎo)體材料之一，是高溫、高頻、抗輻照、大功率應(yīng)用場(chǎng)合下理想的半導(dǎo)體材料。在功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具有高功率和高溫可靠性的4H-SiC BJT器件是極具潛力的競(jìng)爭(zhēng)者，可以廣泛應(yīng)用于軍事及民用設(shè)備的功率電子系統(tǒng)領(lǐng)域。然而SiC BJT器件低共發(fā)射極電流增益增加了器件的功耗，低擊穿電壓制約了器件的應(yīng)用范圍，表面陷阱效應(yīng)退化器件的性能影響了工

2、作穩(wěn)定性，制約了其進(jìn)一步的發(fā)展。本文對(duì)4H-SiC BJT的器件性能進(jìn)行研究，提出基區(qū)場(chǎng)增強(qiáng)埋層結(jié)構(gòu)以提高器件的電流增益以及外延型結(jié)終端結(jié)構(gòu)以提高器件的擊穿電壓；建立了4H-SiC BJT界面態(tài)分布模型以研究陷阱效應(yīng)；并進(jìn)行了4H-SiC BJT器件電熱特性的研究。同時(shí)本文也對(duì)4H-SiC SBD階梯場(chǎng)板的終端結(jié)構(gòu)和硅基高熱穩(wěn)定性雙極BJT-BSIT組合器件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。主要?jiǎng)?chuàng)新工作包括：
　　 ⑴提出4H-SiC BJT器件

3、基區(qū)埋層新結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)基區(qū)增加浮空N埋層引入新的pn結(jié)，從而在基區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生增強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，基區(qū)對(duì)少數(shù)載流子的輸運(yùn)能力得到明顯增強(qiáng)，基區(qū)復(fù)合電流減小，集電極電流提高，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)提高，從而電流增益明顯提高。同時(shí)，N埋層還可以輔助調(diào)制表面電場(chǎng)，提高器件的擊穿電壓。數(shù)值分析結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)埋層的結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)的最大電流增益相比普通結(jié)構(gòu)提高了108％，而且具有較高的擊穿電壓和較好的工藝兼容性。
　　 ⑵提出4

4、H-SiC BJT界面態(tài)分布模型。在禁帶中采用指數(shù)函數(shù)的界面態(tài)分布模型對(duì)4H-SiC BJT的表面陷阱進(jìn)行二維數(shù)值仿真分析，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠很好的吻合。對(duì)表面陷阱效應(yīng)物理機(jī)理的研究表明，外部基區(qū)表面費(fèi)米能級(jí)的釘扎導(dǎo)致了表面能帶的向下彎曲形成了電子的勢(shì)阱，從而大量電子在表面被俘獲形成了表面電子復(fù)合電流溝道?；鶇^(qū)的表面復(fù)合電流是基極電流的重要組成部分，也是引起電流增益退化的重要原因。同時(shí)，陷阱效應(yīng)使器件表面電荷散射增強(qiáng)，降低了器件的遷

5、移率，導(dǎo)通電阻明顯提高。
　　 ⑶具有表面電荷調(diào)制效應(yīng)的兩類(lèi)新型終端結(jié)構(gòu)：①提出4H-SiC BJT器件外延型結(jié)終端新結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將常規(guī)的離子注入型JTE（Junction Termination Extension）結(jié)構(gòu)用外延的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，消除了注入結(jié)嚴(yán)生的曲率效應(yīng)。同時(shí)在外延JTE終端的不同位置注入FFLRs（Floating Field LimitingRings），平衡了主結(jié)邊緣和JTE末端所需的雜質(zhì)劑量不同的矛盾，使器

6、件表面電場(chǎng)分布均勻，實(shí)現(xiàn)了擊穿電壓達(dá)到1570V的SiC BJT。新結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后的常規(guī)FFLRs和JTE終端結(jié)構(gòu)相比，擊穿電壓分別提高了39％和20％。此外，該結(jié)構(gòu)不僅與常規(guī)SiC BJT工藝相兼容而且可以省去常規(guī)工藝中結(jié)終端的制作，簡(jiǎn)化了4H-SiC BJT的工藝步驟，降低了制作成本；②提出4H-SiC SBD器件階梯場(chǎng)板新結(jié)構(gòu)?；趪?guó)內(nèi)目前SiC工藝加工平臺(tái)，在常規(guī)SiC SBD場(chǎng)板實(shí)驗(yàn)和關(guān)鍵工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了階梯型場(chǎng)板、階梯型場(chǎng)

7、板組合JTE以及槽型階梯場(chǎng)板組合JTE的三種新型SiC SBD場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。三種結(jié)構(gòu)通過(guò)刻蝕形成主結(jié)與場(chǎng)板末端不同的氧化層厚度，后兩種結(jié)構(gòu)增加了JTE結(jié)構(gòu)輔助調(diào)制表面電荷，使表面峰值電場(chǎng)分布均勻。數(shù)值仿真優(yōu)化后的三種新結(jié)構(gòu)相比實(shí)驗(yàn)獲得的最高1300V擊穿電壓的普通場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，擊穿電壓分別提高了15％、23％和92％。在仿真分析的基礎(chǔ)上，對(duì)三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工藝流程和器件版圖的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)。
　　 ⑷器件的電熱穩(wěn)定性研究，包括4H

8、-SiC BJT和硅雙極BJT-BSIT（BipolarStatic Induction Transistor）組合器件。本文對(duì)4H-SiC BJT高、低溫工作溫度下的電熱特性（靜態(tài)和開(kāi)關(guān)特性）進(jìn)行了研究。數(shù)值仿真結(jié)果表明，高溫下基區(qū)的受主雜質(zhì)電離率提高，使發(fā)射極注入效率降低，降低了器件的電流增益；電子遷移率的降低提高了器件的比導(dǎo)通電阻；碰撞電離率的降低提高了器件的擊穿電壓。并且高溫下器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間增加，開(kāi)關(guān)損耗顯著提高。同時(shí)，本文提出

9、了硅基高熱穩(wěn)定性雙極BJT-BSIT組合器件電熱解析模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。首次從理論上建立了一種具有較好電流增益溫度系數(shù)的雙極BJT-BSIT組合器件在小電流應(yīng)用下電流增益的溫度模型，提出了BJT-BSIT組合器件的最佳溫度匹配因子ξ，以指導(dǎo)器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。流片后的測(cè)試表明BJT-BSIT組合器件的電流增益高溫變化率在1367ppm/℃以?xún)?nèi)，低溫變化率在2013ppm/℃以?xún)?nèi)。該結(jié)果小于普通硅基BJT的電流增益變化率7000ppm/℃，