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4H-SiC双外延基区双极晶体管模型与实验研究

张倩  
【摘要】:以碳化硅(SiC)材料为代表的第三代宽带隙半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点,非常适合制作高温、高压、大功率、抗辐照等半导体器件。其中4H-SiC材料以其优越的特性而被广泛采用。在功率半导体器件中,4H-SiC双极晶体管(BJTs)作为一种双载流子工作器件,越来越受到人们的重视,国内外的许多科研机构已经相继展开了从器件结构到工艺实验等各方面的研究。本论文基于4H-SiC的材料特性和器件基本工作原理,创造性的提出了一种新型的双外延基区4H-SiC双极晶体管结构,其中基区结构采用连续二次外延的方式形成,同时对其结构参数进行了模拟研究和解析计算,最后按照优化后的设计结构进行了投片实验。 研究成果和创新性内容主要包括以下几个方面: 1.4H-SiC材料的模型参数及双极晶体管的工作机理研究。对4H-SiC材料的基本特性进行了研究,建立了能带模型、迁移率及不完全离化等材料模型,并阐述了各模型参数关于温度的变化关系。同时,对双极晶体管的基本工作原理进行了分析,计算了包括共发射极电流增益、击穿电压、基区渡越时间等器件参数,并从理论上分析了影响双极晶体管直流特性的几个关键因素。 2.4H-SiC双外延基区双极晶体管的基区渡越时间研究。为了提高双极晶体管的电流增益,基于其电流传输过程,创造性的提出并设计了一种新型的双外延基区双极晶体管。依据漂移扩散理论,求解了该结构器件的基区渡越时间τB的解析表达式,并根据该解析模型,对该双极晶体管的基区结构进行了重点研究,依据正交实验结果,针对包括掺杂浓度及厚度在内的多个参数进行了优化设计。研究结果表明,结构优化后的双外延基区内部所产生的自建电场对于提高器件的直流增益有明显的作用,增益可提高至70以上。 3.4H-SiC双外延基区双极晶体管的结终端结构研究。以提高器件击穿电压为目的,器件结构设计中引入了多种不同的结终端结构,通过模拟计算对不同结终端结构的参数进行了优化设计,包括掺杂浓度、离子注入深度、注入剂量和能量的计算等。研究结果表明,优化后的结终端能够明显减弱集电结台面拐角处的电场强度,从而有效提高击穿电压,结构优化后的击穿电压可达2400V,较之前提高了一倍以上。同时,影响器件特性的多个参数诸如基区欧姆接触距离发射区台面的距离、集电极漂移区的结构参数等也进行了研究。 4.在对4H-SiC双外延基区双极晶体管研究的基础上,又创造性的对两种其他结构的晶体管进行了结构研究,分别为缓变基区双极晶体管和金属发射极双极晶体管,通过对基区掺杂指数分布条件下基区渡越时间的计算以及对肖特基接触理论的研究,重点模拟了这两种结构晶体管的共发射极电流增益及击穿电压特性,并对不同温度条件下的器件特性进行了模拟计算。 5.4H-SiC双外延基区双极晶体管的实验研究。依照前述的理论研究成果,论文最后对器件进行了版图设计并投片实验,提出了一种改进的控制发射区台面ICP刻蚀精度的方法,优化工艺参数,最后对器件的电学特性如共发射极电流增益、欧姆接触电阻、击穿电压等特性进行了测试。测试结果显示当IC=28.6mA(JC=183.4A/cm2)时,共发射极电流增益β=16.8,并随着集电极电流密度的增加先增大后减小。比导通电阻Rsp-on为32.3m·cm2,基极开路击穿电压BVCEO约为410V。


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