SiGeC/Si异质结快速软恢复功率二极管的研究

论文摘要

论文将SiGeC/Si异质结技术用于功率二极管反向恢复特性的改进,首先研究分析了Si基应变材料的晶格结构,形成压应变和张应变的机理,尤其是C的引入导致SiGeC材料临界厚度增加及相关器件热稳定性增强的机理。详细分析了SiGeC/Si能带结构特点,依据ΔEC、ΔEv和ΔEg的关系,得出SiGeC/Si异质结能带结构属于“负反向势垒”的结论。推导出SiGeC/Si异质结二极管,在较低、较高正向偏压下的电流密度表达式,解释了SiGeC/Si异质结二极管电流输运机理。基于异质结电流传输机理,SiGeC/Si异质结功率二极管实现了低通态压降下高电流密度的传输,改善了二极管的反向恢复特性,同时具有较低的反向漏电流。与少子寿命控制技术相比,SiGeC/Si异质结能带工程更有效的协调了功率二极管中通态压降、反向漏电流和反向恢复时间三者之间的矛盾。对SiGeC合金中的Ge、C含量进行了优化分析,提出在SiGeC/Si异质结二极管中,对于一定的Ge含量存在C含量的临界值,使得二极管的器件特性最优,并解释了该临界值存在的理论依据。采用数值拟合的方法,给出了SiGeC材料的迁移率模型和能带结构模型。对比分析了SiGeC/Si和SiGe/Si两种异质结二极管的温度特性,详细分析了二极管中C的引入对器件温度特性的改进,并对其机理进行研究。结果表明：基于C对SiGe合金的应变补偿作用,SiGeC二极管的热稳定性明显提高。与同结构SiGe二极管相比,器件的反向漏电流明显下降,阈值电压漂移显著减小。400K时,SiGeC二极管仍具有快而软的反向恢复特性。将理想欧姆结构应用到SiGeC/Si异质结功率二极管中,重点研究了SiGeC/Si异质结理想欧姆接触二极管的击穿机理,提出理想欧姆接触二极管反向阻断特性控制模型,即VBR=min（Vpin’Vpnp）。导出了二极管在不同阻断机制下的反向阻断电压表达式。得到了两种阻断机制相互转化的条件,以及二极管在不同阻断机理控制下,阻断电压与各参数之间的关系。提出了一种新型的基区渐变掺杂理想欧姆接触SiGeC二极管。详细分析了基区渐变结构的引入对二极管反向阻断特性提高的理论依据。新结构二极管在大幅提高p-n-p寄生晶体管击穿电压的同时,不会显著降低原p-i-n二极管的击穿电压,在更大的基区浓度变化范围内,都具有较高的阻断电压,这为器件设计提供了更大的自由度。另外,新结构二极管借助于基区渐变掺杂引入的内建电场,使得二极管的反向恢复时间有所减小,同时又不会牺牲器件的正向通态特性,很好的实现了反向阻断特性、反向恢复特性和正向通态特性之间的折中。通过简单易行的工艺流程和实施方案,研制出两种不同横向结构尺寸的SiGeC/Si异质结器件结构,并进行测试。测试结果与仿真结果吻合较好。SiGeC/Si异质结器件的研制,一方面为SiGeC p-i-n功率二极管的制备奠定了工艺基础,另一方面验证了模拟所用模型的正确性,为今后SiGeC/Si异质结器件的设计与开发提供可靠的模拟仿真手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 立题背景及课题研究意义
• 1.1.1 功率半导体器件发展概况
• 1.1.2 快速软恢复二极管研究意义
• 1.1.3 几种提高二极管快恢复软恢复特性方法及比较
• 1.2 Si基SiGe、SiGeC技术发展概况
• 1.2.1 SiGe技术
• 1.2.2 SiGeC技术
• 1.3 课题来源及论文主要内容
• 2 SiGeC材料物理模型参数
• 2.1 Si基应变材料的类型
• 2.2 SiGeC材料的晶格常数
• 2.3 SiGeC材料的能带结构
• 2.4 SiGeC材料载流子迁移率
• 2.5 SiGeC本征载流子浓度和态密度模型
• 2.6 能带窄化模型
• 2.7 载流子的复合与寿命
• 2.8 介电常数模型
• 2.9 本章小结
• 3 SiGeC/Si异质结功率二极管电流输运机理与特性研究
• 3.1 SiGeC/Si异质结功率二极管器件结构
• 3.1.1 功率二极管主要性能参数
• 3.1.2 SiGeC/Si异质结功率二极管结构特点
• 3.2 SiGeC/Si异质结功率二极管电流输运机理
• 3.2.1 Anderson定则及有关争议
• 3.2.2 SiGeC/Si异质结能带结构分析
• 3.2.3 SiGeC/Si异质结电流输运机理
• 3.3 SiGeC/Si异质结二极管特性分析
• 3.3.1 SiGeC/Si异质结二极管通态特性
• 3.3.2 SiGeC/Si异质结二极管反向阻断特性
• 3.3.3 SiGeC/Si异质结二极管反向恢复特性
• 3.3.4 SiGeC/Si异质结技术与寿命控制技术对比
• 3.4 SiGeC/Si异质结二极管Ge/C含量优化设计
• 3.4.1 Ge/C含量对器件正向通态特性的影响
• 3.4.2 Ge/C含量对器件反向恢复特性的影响
• 3.4.3 Ge/C含量对器件反向阻断特性的影响
• 3.5 本章小结
• 4 SiGeC/Si异质结二极管温度特性研究
• 4.1 SiGeC/Si异质结的热稳定性
• 4.1.1 SiGeC合金中C的晶格位置
• 4.1.2 C对SiGe合金热稳定性的提高
• 4.1.3 SiGeC合金热稳定性的基本特点
• 4.2 SiGeC材料的温度模型
• 4.2.1 能带模型
• 4.2.2 迁移率模型
• 4.3 SiGeC/Si与SiGe/Si两种异质结二极管温度特性对比
• 4.3.1 反向阻断特性对比分析
• 4.3.2 正向通态特性对比分析
• 4.3.3 反向恢复特性对比分析
• 4.4 本章小结
• 5 理想欧姆接触SiGeC/Si异质结二极管机理研究
• 5.1 理想欧姆接触SiGeC/Si异质结二极管结构特点与工作机理
• 5.2 理想欧姆接触SiGeC/Si二极管击穿机理
• 5.2.1 结的击穿类型
• 5.2.2 反向偏置SiGeC/Si异质结机理分析
• 5.2.3 理想欧姆接触SiGeC/Si二极管击穿机理
• 5.3 理想欧姆接触SiGeC/Si二极管特性分析
• 5.3.1 反向恢复特性
• 5.3.2 正向通态特性
• 5.3.3 反向阻断特性
• 5.3.4 反向阻断特性设计考虑
• 5.4 理想欧姆接触SiGeC/Si二极管优化设计考虑
• +区宽度对器件特性的影响'>5.4.1 p⁺区宽度对器件特性的影响
• +区厚度对器件特性的影响'>5.4.2 p⁺区厚度对器件特性的影响
• 5.5 本章小结
• 6 基区渐变掺杂理想欧姆接触SiGeC/Si异质结二极管研究
• 6.1 普通理想欧姆接触二极管存在问题与新结构的提出
• 6.1.1 普通理想欧姆结构的弊端
• 6.1.2 基区渐变掺杂理想欧姆结构的提出
• 6.2 基区渐变掺杂理想欧姆接触二极管结构特点与工作机理分析
• 6.2.1 结构特点
• 6.2.2 工作机理分析
• 6.3 基区渐变掺杂理想欧姆接触SiGeC二极管特性分析
• 6.3.1 反向阻断特性
• 6.3.2 正向通态特性
• 6.3.3 反向恢复特性
• 6.4 基区渐变掺杂理想欧姆接触SiGeC二极管优化设计
• 6.4.1 两层基区渐变掺杂二极管
• 6.4.2 四层基区渐变掺杂二极管
• 6.4.3 五层基区渐变掺杂二极管
• 6.4.4 新结构二极管渐变层数设计考虑
• 6.5 本章小结
• 7 SiGeC/Si异质结二极管工艺技术研究与实验验证
• 7.1 SiGeC外延层工艺方案设计
• 7.1.1 SiGeC外延层制备方法
• 7.1.2 SiGeC工艺参数
• 7.1.3 SiGeC外延生长及结果分析
• 7.2 SiGeC/Si异质结二极管工艺方案设计与工艺模拟
• 7.2.1 工艺方案设计
• 7.2.2 工艺模拟
• 7.2.3 新结构二极管关键结构参数设计与单步工艺模拟
• 7.3 实验验证
• 7.3.1 样品工艺方案
• 7.3.2 实验结果分析
• 7.4 本章小结
• 8 结束语
• 8.1 主要结论
• 8.2 论文创新点
• 8.3 今后研究工作设想
• 致谢
• 参考文献
• 在校学习期间发表的论文