检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：陈丰平西安电子科技大学

学位级别：博士

碳化硅（SiC）由于具有禁带宽度大、临界位移能高、热导率高等优点而成为制作高温、高频、大功率和抗辐射器件极具潜力的宽带隙半导体材料。在功率系统中，一个良好的整流器件应具有较小的导通电阻、较低的泄漏电流、较高的击穿电压以... 详细信息

碳化硅（SiC）由于具有禁带宽度大、临界位移能高、热导率高等优点而成为制作高温、高频、大功率和抗辐射器件极具潜力的宽带隙半导体材料。在功率系统中，一个良好的整流器件应具有较小的导通电阻、较低的泄漏电流、较高的击穿电压以及较快的开关速度等特性，因此SiC功率肖特基势垒二极管（SBD）和结型势垒肖特基（JBS）二极管就成为了很具潜力的应用器件类型。国外对于SiCSBD和JBS二极管已经有了诸多报道，并且在近些年来取得了长足的发展，而国内对于SiC功率器件制作的报道相对较少。虽然SiC材料和工艺都取得了一定的进步，但是由于SiC材料的特殊性，在SiC器件制作工艺方面仍然存在诸多不足。本文主要在以下几个方面对4H-SiC功率SBD和JBS二极管的设计、仿真和制作做出了针对性研究： 1.理论分析了4H-SiC功率SBD和JBS二极管的器件特性和工作特点，建立合适的理论模型，通过ISE-TCAD软件进行器件特性的仿真，并分析了器件结构中的关键参数对于器件特性的影响。 2.对SiC器件制作过程中的关键工艺进行了分析和研究。通过LPCVD非故意掺杂生长得到了质量良好的4H-SiC N-同质外延层：原子力显微镜（AFM）测试得到其平均面粗糙度（Ra）为0.64nm，均方根粗糙度（RMS）测试结果为0.78nm；傅里叶红外线光谱分析（FTIR）测试得到其平均厚度为10μm；次级离子质谱法（SIMS）测试得到其掺杂浓度为1015cm-3量级。另外还通过Trim软件仿真和实验SIMS测试结果的对比分析，研究了离子注入的剂量、能量的选定，获得了选择性掺杂的工艺条件。对离子激活退火的保护也通过碳膜掩蔽的方法有效控制了高温退火导致的Si升华问题，通过碳膜保护退火获得的表面RMS测试结果为7.03nm，对于未作保护的RMS为54.77nm的表面有显著提高。 3.仿真研究了采用场限环终端的JBS二极管器件特性，并流片制作了采用场限环终端的SBD和JBS二极管。通过两种区别工艺制作P型欧姆接触，即独立制作P型欧姆接触金属及退火和一次完成正电极与欧姆接触制作的工艺，对比了两种工艺条件下的器件直流特性，分析了工艺过程对于器件特性的影响。 4.针对场限环终端对于表面电荷敏感的缺陷提出了在4H-SiC SBD和JBS二极管中引入偏移场板终端。通过仿真和理论分析详细研究了氧化层中电荷对于器件反向特性的影响，同时确定了结构参数。通过实验流片制作偏移场板终端的SBD和JBS器件，并通过直流特性测试、开关特性测试、以及变温测试等方法详细研究分析了器件特性。通过采用B离子和Al离子共同注入的方法制作P+结，在获得较大结深的同时能够有效减小反向恢复时间，常温下得到了反向恢复时间仅为44ns的4H-SiC JBS二极管。同时变温条件下的测试也证明了4H-SiC整流器在高达300C的条件下仍具有优越直流特性和开关特性。 5.针对离子注入工艺和离子激活退火工艺对于器件特性的影响，进行了浮金属场环终端的4H-SiC SBD的流片实验，并分析了Ti和Ni两种金属所形成的肖特基势垒情况。采用Ti制作的SBD在4.4V正向偏压下达到了1600A/cm2的电流密度，而采用Ni制作的SBD在反向偏压200V下获得了小于10-7A/cm2的反向漏电流，还获得了击穿电压达到850V的4H-SiC SBD。另外详细研究了结终端扩展JTE对于提高4H-SiC SBD器件特性的作用，通过仿真分析了JTE关键参数对于反向击穿电压、表面电场分布的影响，给出了JTE的设计要点和优化参数。在流片实验中测得了击穿电压达到950V的JTE终端的4H-SiC SBD，正向电流密度在5V时为803A/cm2。

关键词： 4H-SiC 肖特基势垒二极管结型势垒肖特基二极管直流特性开关特性

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6500 V SiC场限环终端设计与实现

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固体电子学研究与进展 2018年第1期38卷 1-5页

作者：杨同同杨晓磊黄润华李士颜刘奥杨立杰柏松宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室南京电子器件研究所南京210016

针对6 500 V SiC器件的阻断电压要求,采用有限元仿真软件对场限环终端结构进行了设计优化。相比于通常的恒定环间距增量场限环终端设计,本项研究采用三段不同的环间距增量终端环结构。该结构场限环终端的优势在于SiC器件表面的峰值电场... 详细信息

针对6 500 V SiC器件的阻断电压要求,采用有限元仿真软件对场限环终端结构进行了设计优化。相比于通常的恒定环间距增量场限环终端设计,本项研究采用三段不同的环间距增量终端环结构。该结构场限环终端的优势在于SiC器件表面的峰值电场强度控制在1MV/cm以下,体内的峰值电场强度在2.4MV/cm以下,有效减小了实际工艺中环注入窗口的工艺偏差引起的环间距拉偏对峰值电场强度的影响。环间距拉偏结果显示,在-0.2^+0.2μm的偏差范围内,器件表面(SiO_2/SiC交界处)的峰值电场强度并没有升高,只是峰值的位置发生了改变。最后利用了所设计的场限环终端进行了实际流片。测试结果显示,当施加6 500V的反向电压,漏电流小于10μA。

关键词：场限环碳化硅有限元仿真结型势垒肖特基二极管

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3300 V高性能混合SiC模块研制

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固体电子学研究与进展 2024年第1期44卷 13-18页

作者：刘艳宏杨晓菲王晓丽荆海燕刘爽中车永济电机有限公司西安710016

将Si基绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)芯片与SiC结型势垒肖特基二极管芯片按照双开关电路结构排布,开发了一种3 300 V等级混合SiC模块,对其设计方法、封装工艺、仿真、测试结果进行分析,并对标相同规格IGB... 详细信息

将Si基绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)芯片与SiC结型势垒肖特基二极管芯片按照双开关电路结构排布,开发了一种3 300 V等级混合SiC模块,对其设计方法、封装工艺、仿真、测试结果进行分析,并对标相同规格IGBT模块。混合SiC模块低空洞率焊接满足牵引领域高温度循环周次的要求,冗余式的连跳键合结构可以有效增强功率循环能力。采用双脉冲法测试动态性能,测试结果表明该混合SiC模块反向恢复时间减小了84%,反向恢复电流减小了89.5%,反向恢复能量减小了99%,一次开关产生的总损耗降低了43.3%。混合SiC模块消除了开关过程中电压和电流过冲现象,在高电压、大电流和高频率的应用工况下具有明显的优势。

关键词：绝缘栅双极型晶体管结型势垒肖特基二极管混合SiC模块

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高功率SiC整流二极管电热可靠性研究

高功率SiC整流二极管电热可靠性研究

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作者：范鑫西安电子科技大学

学位级别：硕士

第三代宽禁带半导体碳化硅(SiC)材料,由于其相比于第一代半导体硅(Si)材料有热导率高、临界击穿电场高、电子饱和漂移速度大等特点,所以SiC材料和器件在高功率、高温、高压等极端应用领域展现了巨大的优势和广阔的应用前景,特别适合用... 详细信息

第三代宽禁带半导体碳化硅(SiC)材料,由于其相比于第一代半导体硅(Si)材料有热导率高、临界击穿电场高、电子饱和漂移速度大等特点,所以SiC材料和器件在高功率、高温、高压等极端应用领域展现了巨大的优势和广阔的应用前景,特别适合用在电力电子功率电路中。在近几年的全球市场中,4H-SiC SBD、JBS二极管等SiC功率器件商业化日益成熟。但是随着4H-SiC JBS功率二极管的正向额定电流逐渐增大,由于JBS芯片在封装后不同的散热条件,会导致JBS芯片出现温度不均匀的现象。另一方面,为了降低成本,可采用内串联的方式获得更高耐压的SiC功率二极管,温度不均匀的问题任可能对器件可靠性产生影响。本文针对4H-SiC JBS高功率二极管电热可靠性问题,开展了理论研究和实验研究。下面是本文主要的研究工作:(1)建立了基于TCAD、MATLAB、ANSYS软件的4H-SiC JBS整流二极管的电热仿真模式。可以真实、高效的反映4H-SiC JBS整流二极管的电热耦合问题。基于TCAD软件碳化硅JBS二极管的电学模型和热学模型,对器件导通电阻解析模型进行修正,进而得到准确的器件的变温功率模型,最后导入ANSYS中进行器件的电热仿真,解决了TCAD软件仿真大尺寸器件自热效应的困难。(2)研究了40A 4H-SiC JBS二极管温度分布。首先,基于前述方法进行了40A4H-SiC JBS二极管温度分布,仿真得到芯片中心温度比芯片边缘高9.62K的温度不均匀现象。接着,在10A条件下对金属封装和塑封的4H-SiCJBS二极管进行红外温度实验,使用喷漆法解决了由于材料热发射率不同而导致的测试问题,测试的温度不均匀现象比仿真结果更为严重。(3)为解决大面积器件的温度不均匀问题,提出了肖特基接触不均匀分布的设计思路。通过减小芯片中心肖特基接触面积,增大芯片边缘肖特基接触面积,使芯片中心与边缘温差降低。最终在保证阻断特性不退化的前提下,温差从9.62K降低为1.87K,有效电阻降低5.38%。(4)研究了9000V 4H-SiC内串联二极管电热特性理论分析。首先,建立了3000V4H-SiC JBS二极管开启电压随温度变化模型。接着,对4H-SiC JBS二极管反向恢复特性进行了研究并建立简单电路下反向恢复模型,得到内串联反向恢复模型,得出内串联二极管反向恢复特性比相同耐压单管优化的结论。最后对陶瓷封装的4H-SiC内串联二极管进行温度分布仿真,仿真真发现不同腔体内的JBS芯片会有2K左右温差由该温度计算得到的电阻差仅为:0.055Ω,对SiC 9000V内串联二极管可靠性不会产生影响。(5)研究了9000V 4H-SiC内串联二极管电热特性实验分析。进行了9000V 4HSiC内串联二极管基本正反向测试、正向变温实验,验证了4H-SiC JBS开启电压随温度变化模型的正确性。接着,4H-SiC内串联二极管反向变温实验,发现温度高于175℃后出现打火现象。经过重复实验及现场观察分析,发生击穿的原因为封装金属盖板与电极发生空气击穿,器件内部芯片并未损坏。

关键词： 4H-SiC 结型势垒肖特基二极管内串联二极管电热可靠性

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100A/1200V Si JBS的设计与参数优化

100A/1200V Si JBS的设计与参数优化

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作者：赵伟立杭州电子科技大学

学位级别：硕士

作为一种新型的复合型二极管，结型势垒肖特基二极管（Junction Barrier ControlledSchottky Rectifier，缩写JBS）具有大电流、高耐压、高开关速度、高浪涌电流抗性的优点。本论文的主要工作为设计一种正向电流为100A、耐压为1200V的... 详细信息

作为一种新型的复合型二极管，结型势垒肖特基二极管（Junction Barrier ControlledSchottky Rectifier，缩写JBS）具有大电流、高耐压、高开关速度、高浪涌电流抗性的优点。本论文的主要工作为设计一种正向电流为100A、耐压为1200V的可适应于国内晶闸管制造工艺的硅基JBS器件。本次设计首先通过对JBS的工作原理进行分析，并结合国内晶闸管制造工艺，初步确定了硅JBS器件的基本材料参数和元胞的结构参数。之后为了获取较高的耐压，采用场限环结构，通过对柱坐标系泊松方程的求解，确定了场限环的数目和场限环间距等基本结构参数。利用SILVACO TCAD器件仿真工具Atlas对所得的硅JBS器件初步结构进行了电学特性仿真，结果发现初步结构的击穿电压未达到设计要求。为了提高击穿电压，减少突变结近似引入的误差，将双质扩散结近似为两个单边线性结的线性叠加，并对其电学特性进行了研究。根据研究所得结果对场限环进行了优化设计，调整了场限环间距和场限环宽度，进而利用SILVACO TCAD Atlas对优化后的硅JBS器件结构进行了击穿特性仿真，结果发现其击穿电压仍不能满足设计要求。为了进一步优化结构，提升击穿电压，提出了三种改良方案：降低漂移区浓度、增加结深、增加场限环数目或N+场终止环。在分别采用了其中的后两种方案后分别获得了击穿电压在1400V以上、结深分别为50μm和30μm、场限环数目分别为2个和3个的总共7种不同场限环宽度和间距的硅JBS器件结构。在器件的击穿电压达到设计指标后，于满足耐压指标的两种结深的总共7套硅JBS器件结构中分别选出一种结构，对其正向特性和瞬态特性仿真结果进行了分析对比，并选取这两种硅JBS器件结构用于虚拟样品的制造和测试。由于本次设计采用了场限环结构，要求场限环间距处处相同，因此提出了圆形和正六边形两种版图方案。综合考虑后，采用正六边形版图结构并计算了对应于所选的两种硅JBS器件结构的版图参数。之后利用SILVACO TCAD工艺仿真工具Athena对所得的器件结构进行了虚拟制造。并利用SILVACO TCADAtlas对虚拟样品进行了电学特性方面的仿真测试和验证。测试发现两种硅JBS器件的虚拟样品的击穿电压、正向电流密度和关断时间等均有一定程度的削弱，但仍符合设计指标要求。通过对器件结构的优化及对虚拟样品的制造与测试，最终获得了结深分别为50μm和30μm、击穿电压分别为1440V和1470V、关断时间分别为12.5ns和5ns的可适用于晶闸管制造工艺的正向电流为100A的硅JBS器件结构和相应的版图及参数。

关键词：结型势垒肖特基二极管场限环击穿电压正向特性工艺流程

来源：评论

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