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《西安电子科技大学》 2016年
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4H-SiC PiN功率二极管研制及其关键技术研究

韩超  
【摘要】:碳化硅(SiC)由于具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和漂移速度高、热导率高以及抗辐射位移能高等优点,成为制备高温、高频、大功率和抗辐射电力电子器件极具潜力的宽带隙半导体材料。在功率电力电子系统中,一个良好的整流器应具有耐高压、低漏电、大电流处理能力等特性,因此作为一种双极载流子器件,4H-SiC PiN二极管就成为了重要的大功率整流器关键部件。近些年来,国外对于4H-SiC PiN功率二极管已有了很多的研究报道,取得了良好的阶段性成果,但是在器件制备的关键技术如Mesa刻蚀、P型欧姆接触以及实用可靠的终端设计等方面,还存在较多的问题和难点。而国内由于受材料制备和较高的工艺要求等因素限制,相关的实验报道还很少。本文主要在以下几个方面对4H-SiC PiN功率二极管的关键技术以及器件整体制造做出了针对性的研究:1.理论分析了4H-SiC PiN功率二极管的直流器件物理特性,以及与4H-SiC材料特性相关的物理机制影响因素和器件设计要点。建立了合适的数值分析物理模型,同时给出了可靠的模型材料参数。2.基于ICP-Bosch刻蚀工艺和F-O基刻蚀气体,系统研究了4H-SiC Mesa刻蚀中的微沟槽效应、形貌缺陷等问题及其解决方法。首先,通过研究钝化气体流量对刻蚀速率、形貌的影响,分析了钝化作用机制和流量优化规律。其次,通过对比不同的刻蚀时间(te)/钝化时间(tp)以及二者比例所产生的刻蚀效果,建立了刻蚀过程对比模型,结合钝化作用分析了微沟槽的形成、扩展以及消除机理,并提出了“高频刻蚀”概念,由此获得了无微沟槽的Mesa刻蚀形貌。最后,研究分析了ICP/Bias功率比对刻蚀形貌的影响,研究表明过大或过小的ICP/Bias功率比都会引起物理和化学刻蚀机制的失衡,从而导致Mesa形貌产生严重的缺陷。3.基于不同的Ti/Al基接触方案对比,系统研究了在外延特征粗糙表面(Step-bunching)上制备的P型4H-SiC欧姆接触特性。通过分析表面状态变化的内因及其对接触系统内在相变的影响,揭示了欧姆接触形成的“step-bunching有利机制”,即高温下金半之间的强固相反应动力使亚稳态结构的step-bunching分解,过量析出的C、Si原子主导了界面及接触层中C、Si相的种类,形成了全局分布的非晶SiC以及有利于欧姆接触特性的Ti3SiC2和石墨态。电学特性和微结构表征进一步揭示了“液相辅助界面反应机制”对Ti/Al P型欧姆接触的形成和促进作用,即高度的合金界面液相有助于有序结构的(0001)Ti3SiC2//(0001)SiC异质外延界面的形成。基于欧姆形成和促进机制的讨论,采用50%低Al组分的Ti(100 nm)/Al(100 nm)接触,并经过1000°C/3 min退火,在具有显著step-bunching表面的高掺杂P型4H-SiC外延层上制备了达到国际领先水平的欧姆接触,测试得到的比接触电阻值为2.7×10-6Ωcm2。同时实现了接触退火形貌的改善。4.对4H-SiC PiN功率二极管从材料制备、版图与工艺流程设计、器件制造到电学特性测试分析做了初步系统的研究。通过优化外延工艺和加入缓冲层结构,生长得到了具有低表面结构缺陷密度的连续外延P+N结构。其中,N型漂移区(i区)的掺杂浓度和厚度分别约为5×1015 cm-3和15.5μm。器件采用单一Mesa刻蚀终端,经过氧化、欧姆接触形成、PI固化等工艺步骤,完成流片制造。室温直流特性测试显示,大管芯器件(电极面积0.023 cm2)的正向开态电流可达30 A,特征导通电阻为0.76mΩcm2;最大击穿电压约为1300 V,由此可得器件品质因数为2224 MW/cm2。小管芯器件(Mesa面积0.005 cm2)的最大击穿电压约为1565 V。升温直流特性测试揭示了载流子迁移率在高温高电流下的退化现象,改变了PiN二极管的开态负温度变化趋势。分别对Mesa微沟槽、P型欧姆接触质量差异进行了量化的电学特性评估。结果表明,微沟槽使器件击穿特性退化,而对器件的漏电及正向特性没有影响。P型欧姆接触质量直接影响器件的开态压降大小以及大电流处理能力。对封装器件进行反向恢复测试,提取少子寿命约为1μs。最后,通过对比实验结果与低场迁移率模型修正的数值仿真,验证了所制备的器件在正向开态下存在迁移率各向异性效应的影响。5.基于多区效应原理,设计了一种单注入形成的多台阶JTE结构(Single implanted multiple steps JTE,SIMS-JTE),并仿真研究了SIMS-JTE掺杂剂量、step电荷梯度等结构参数对10 kV级4H-SiC PiN功率二极管击穿特性的影响。根据电场分布变化,分析了SIMS-JTE结构具有高击穿效率和宽优值剂量窗口的基本物理机制,即多区step分享电场并逐级发挥效用,缓解了电场集中且使最大峰值电场位缓慢漂移变化。step电荷梯度大小强烈影响多区作用效率,根据优值电荷梯度分析,归纳得到了step设计的一般原则。另外,针对SIMS-JTE所需的阶梯注入掩模,提出了一种精确实用的多层Al膜淀积技术。并通过离子注入仿真和实验对比,分析了不同厚度Al膜对step注入分布的影响。最后,根据以上器件仿真设计和掩膜制备及注入研究,在厚度100μm、掺杂浓度3×1014 cm-3的N型外延片上制备了具有不同JTE结构的10 kV级4H-SiC PiN功率二极管,并通过测试对比,验证了在高JTE注入剂量条件下(1.72×1013 cm-2),SIMS-JTE(4-steps)结构相比于单区JTE和SIMS-JTE(2-steps)对于器件击穿特性的显著提升,其测试最大击穿电压达到11.1 kV。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN313.4

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