SiC SBD的工艺研究及利用Silvaco模拟特性

论文摘要

SiC半导体材料是继第一代半导体材料Si和第二代化合物半导体材料之后发展起来的第三代宽带隙（WBS）半导体材料,宽禁带半导体是指禁带宽度大于2.6eV的半导体材料。SiC材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点,在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。肖特基势垒二极管作为金属半导体整流结,可以忽略少子存贮效应,使其具有良好的频率特性,较低的开态电阻,低功耗,而且没有扩散电容,所以较快的开关速度,这些优点决定了它在高频、大功率整流器中的应用。常规的Si SBD的反向击穿电压一般都小于100V,且不适合在150℃以上工作,而SiC SBD弥补了Si SBD的不足,它是高压快速与低功率损耗、耐高温等优点相结合的理想器件。理论表明,制作低开启电压,击穿电压超过5kV,并目能在600℃以上的高温下正常工作。目前国际上相继研制成功了水平较高多种类型的SiC器件,但大部分仍处于实验室研究阶段。国内在SiC器件的研制上起步较晚,与国外的差距很大。SiC材料在高温,大功率和高频半导体器件领域应用的关键工艺之一是制备高稳定性和低电阻的欧姆接触。欧姆接触质量的好坏、接触电阻的大小直接影响器件的效率、增益和开关速度等性能指标。本文从SiC SBD的现实研究意义出发,论述了SiC半导体材料的性质及其工艺,结合金属半导体的接触理论,提出了基于Ni基SiC SBD的相关工艺改进的研究:首先利用Ni硅化物优化了欧姆接触,通过理论上的研究我们得出Ti/Ni-n型SiC的比接触电阻更低;其次基于结终端的研究,引入了p+环并且提高了反向击穿电压,P+环从效果上来说,相当于PN结型二极管与肖特基二极管并联,在反偏情况下,P+环结构增大了边缘耗尽层的曲率半径,从而使边缘电场显著减弱,使SBD的反向特性明显地获得改善,还可以引用二级或三级保护环来提高反向击穿电压;再次,引入超结来平衡了反向击穿电压和正向导通特性之间的矛盾,SJ最大的特点就是降低了导通电阻,同时也改善了器件的阻断特性,为VB和Ron的矛盾关系找到了有效的解决方法,超结的相关理论将会在第四章做详细的介绍。最后,利用Silvaco-TCAD对4H-SiC SBD进行了模拟仿真的研究,仿真结果包括以下两个方面:工艺结构,正向特性,根据预先要得到正向导通电压值来设定相关的工艺条件,编写了仿真程序代码得到了预设范围内的正向导通电压,在仿真过程中引入了p+环有效的提高了反向击穿特性。论文以上述的设计理念为引导,结合了在中国电子科技集团第四十七研究所的工艺生产线Si基肖特基流片经验,从整流理论和肖特基势垒理论出发,同时利用Silvaco软件开展了大功率4H-SiC SBD器件结构模拟和正向特性仿真的研究,以降低器件的比导通电阻和提高反向击穿电压为主要研究目标,通过P+环和超结的引用对SiC SBD的工艺改进从理论上进行分析,采用结构参数优化,引用结终端技术及新的器件结构理论等方法,在保持确定击穿电压条件下,尽量减小比导通电阻,实现了输出功率最大化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究的现实意义
• 1.2 SiC SBD 国内外的研究现状
• 第2章 SiC 半导体材料的性质及制备工艺的研究
• 2.1 SiC 材料的结构和所具备性质
• 2.1.1 SiC 晶体的结构
• 2.1.2 SiC 材料具有的基本性质
• 2.2 SiC 宽禁带材料的制备
• 2.2.1 SiC 单晶生长
• 2.2.2 SiC 薄膜的生长
• 2.3 SiC 器件制作过程中的相关工艺
• 2.3.1 氧化
• 2.3.2 掺杂及退火
• 2.3.3 欧姆接触
• 第3章 金属与半导体的接触理论
• 3.1 金属半导体接触所涉及的基本参数
• 3.2 肖特基势垒形成的主要模型
• 3.2.1 利用肖特基一莫特模型解释肖特基势垒的存在
• 3.2.2 肖特基-巴丁模型
• 3.2.3 适合解释SiC 肖特基势垒的模型
• 3.2.4 势垒高度的主要影响因素
• 3.3 欧姆接触形成原理和获得较低比接触电阻的研究
• 3.3.1 SiC 材料形成欧姆接触原理
• 3.3.2 为获得较低的比接触电阻的研究
• 3.3.3 n 型 SiC 材料形成欧姆接触的金属材料的选择
• 第4章 基于 Ni 基 SiC SBD 工艺改进方法的研究
• 4.1 SiC SBD 欧姆接触及其改进方法
• 4.2 基于结终端扩展的 SiC SBD 的工艺改进
• 4.3 引入超结优化 SiC SBD 正反向特性
• 4.3.1 SJ 的特点
• 4.3.2 SJ SBD 正反向特性的改善
• 4.4 Ni 基 4H-N 型 SiC 的结构及正向特性的模拟
• 4.4.1 编写仿真程序代码
• 4.4.2 仿真结果分析
• 致谢
• 参考文献