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4H-SiC同质外延薄膜及其高压肖特基二极管器件研究

张发生  
【摘要】:4H-SiC材料和高压4H-SiC肖特基二极管(SBD)器件具有优越的性能,在国民经济和军事等诸多领域有着广泛的应用前景,例如电力电子领域就是最具代表性的工程应用领域之一。高质量的厚外延层4H-SiC材料是制造高压SBD器件基础。但毋庸讳言,无论从4H-SiC外延材料生长还是高压SBD器件的制造中依然存在很多问题和困难,严重制约了高压4H-SiC SBD器件发展。 国内4H-SiC单晶外延材料制备和4H-SiC SBD器件研制起步较晚,对4H-SiC宽禁带半导体和4H-SiC SBD器件关键理论问题缺乏深入、细致和系统的研究,使得我国的整体水平与国际先进水平尚存明显差距,主要存在以下问题:(1)高质量4H-SiC外延薄膜的生长机理和关键工艺尚未完全搞清;(2)没有一套系统完整4H-SiC单晶同质外延的表征测量方法;(3)高压SiC SBD器件所采用的结终端结构缺乏准确数据;(4)4H-SiC SBD器件关键制造工艺还未解决。 在此背景下,本文针对上述主要问题进行了系统研究。主要的研究成果如下: 1、在理论分析的基础上,对化学气相淀积(CVD)法4H-SiC同质外延生长的关键工艺进行了实验研究,得出影响这些材料参数的主要因素。确定了关键参数变化趋势,制定了完整的工艺流程。 2、对4H-SiC同质外延薄膜进行了检测。提出了一种简易测试外延厚度的方法,即利用叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectromtry)FTIR反射谱对4H-SiC同质外延半导体薄膜的质量进行评价,完善了用干涉条纹的频率和强弱的方法来计算外延薄膜的厚度。用汞(Hg)探针C-V测试获取4H-SiC同质外延纵向杂质浓度分布的信息,并通过多点测试,得到外延片的掺杂浓度均匀性。借助扫描电子显微镜SEM和原子力显微镜AFM等显微技术对4H-SiC同质外延薄膜样品表面形貌进行了定性和定量的测试分析。 3、提出了高压4H-SiC SBD器件反向击穿电压与4H-SiC半导体材料临界电场、外延层的掺杂浓度、外延层的厚度之间定量关系,研究了室温下金属碳化硅接触的肖特基势垒高度Фb、串联电阻Ron和金属与4H-SiC紧密接触形成欧姆接触,并给出了它们的计算公式。证明了在温度不太高的范围(300K-500K)内,正向伏安特性符合热电子发射理论。提出了一种计算反向电流密度的理论模型,模型的计算结果与实验数据的比较表明,隧道效应是常温下反向电流的主要输运机理。但在温度较高时,反向热电子发射电流和耗尽层中复合中心产生电流都大大增加,不能再忽略不计。 4、阐述了高压4H-SiC SBD结终端技术的必要性,原因是高压4H-SiC SBD结终端存在电场集中导致电压下降。提出了平面结终端技术:场板技术、保护环技术、腐蚀造型技术、场限环技术和结终端延伸技术等。介绍了数字模拟软件ISE-TCAD10.0特点、模拟运行的过程、并对带有场限环和结终端延伸的结终端技术的高压4H-SiC SBD进行了耐压特性模拟。通过模拟得到衬底掺杂浓度、厚度和结终端结构等参数对器件耐压的影响关系,为高压4H-SiC SBD的设计和研制做好准备 5、研究了欧姆接触和肖特基接触,它们是高压4H-SiC SBD器件研制的基础和关键工艺。根据模拟结果,结合实际工艺条件,本文分别研制了具有结终端场限环保护的高压Mo/4H-SiC SBD和Ni/4H-SiC SBD器件及具有结终端延伸保护的高压Ni/4H-SiC SBD器件。根据实验结果指出此两种平面结终端保护结构是很有效的。这为今后进一步研制高性能的高压4H-SiC SBD器件奠定了实验基础。 最后根据初步实验结果分析提出了今后改进设想。


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