宽禁带功率二极管的研制

论文摘要

据统计,在低能耗系统中消耗的电能占到总电能使用量的60%至70%,而低能耗系统中的电能绝大多数是消耗于电力变换和电力驱动。功率器件是在提高电力利用效率中起关键作用的,也称电力电子器件。如何降低功率器件的能耗已成为全球性新课题。在这种情况下,4H-SiC肖特基势垒二极管（SBD）性能远优于目前军事和民用市场中普遍使用的硅（Si）肖特基势垒二极管器件,具有广泛的应用领域和应用前景。但是,4H-SiC SBD制造中依然存在很多难点和问题,例如制备工艺难度大,器件成品率低等,严重影响了其普通应用。目前国内4H-SiC SBD研制尚在起步阶段,尚未形成系统的研究理论和有价值的实验成果,使得我国的整体水平与国际先进水平差距明显。我国4H-SiC SBD的研制工艺主要存在以下困难瓶颈点：（1）4H-SiC SBD所采用的结终端技术缺乏系统完整的准确数据；（2）4H-SiC单晶外延缺乏系统完整的表征测量方法；（3）4H-SiC SBD尚未探索出最合适的管件制造工艺步骤和条件。本文针对以上背景核问题对以下几个方面做了一个系统的研究。主要研究成果总结为：1、提出了外延层的掺杂浓度、半导体材料临界电场、外延层的厚度对高压4H-SiC肖特基势垒二极管器件反向击穿电压的影响,并用公式界定了他们之间的关系,研究了室温下金属碳化硅接触的肖特基势垒高度ΦB、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。2、阐述了高压4H-SiC肖特基势垒二极管结终端技术的必要性,原因是高压4H-SiC肖特基势垒二极管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,包括场板技术、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。3、研究了欧姆接触和肖特基接触,它们是高压4H-SiC肖特基势垒二极管器件研制的基础和关键工艺。根据实验结果,结合实际工艺条件,本文研制了具有结终端场限环保护的高压Mo/4H-SiC肖特基势垒二极管,根据实验结果指出此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肖特基势垒二极管器件奠定了实验基础。最后根据对实验结果的总结研究,明确了新的问题和难点,并对今后的实验研究提出了新的思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 宽禁带肖特基二极管器件的发展
• 1.2 本论文的工作及内容安排
• 第二章 4H-SiC同质外延材料的检测
• 2.1 4H-SiC同质外延层表面形貌测试
• 2.2 SiC材料的基本特征
• 2.2.1 SiC的晶体结构
• 2.2.2 4H-SiC的能带宽度
• 2.2.3 碰撞电离系数
• 2.2.4 载流子的迁移率
• 第三章 高压4H-SiC肖特基势垒二极管的理论分析
• 3.1 高压4H-SiC肖特基势垒二极管的反向伏安特性
• 3.2 高压4H-SiC SBD的正向伏安特性分析
• 3.2.1 高压4H-SiC SBD器件的正向导通压降
• 3.2.2 高压4H-SiC SBD器件的肖特基势垒高度
• 3.2.3 高压4H-SiC SBD的外延层和衬底的串联电阻
• 3.2.4 高压4H-SiC SBD衬底与衬底面金属之间欧姆接触
• 第四章 4H-SiC功率肖特基二极管的工艺方案
• 4.1 器件制备
• 4.1.1 4H-SiC SBD器件的场板技术
• 4.1.2 4H-SiC SBD器件的保护环技术
• 4.1.3 4H-SiC半导体平面结腐蚀造型
• 4.1.4 4H-SiC SBD结终端扩展技术
• 4.1.5 4H-SiC半导体SBD结场限环技术
• 4.2 测试与结果分析
• 4.2.1 反向特性测试
• 4.2.2 场板长度以及场氧化层厚度的影响
• 4.2.3 注入外环（FLR）结构变化的影响
• 第五章 4H-SiC功率肖特基二极管的研制总结
• 5.1 4H-SiC半导体材料制备方面取得的进展
• 5.2 4H-SiC SBD器件制备方面取得的进展
• 5.2.1 高压4H-SiC SBD器件用的结终端保护技术
• 5.2.2 高压4H-SiC SBD器件制造工艺技术
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表