寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件課件

寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件

研究寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件主要內(nèi)容一、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢二、研究內(nèi)容、擬解決的技術(shù)難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)三、研究目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)四、研究方法、技術(shù)路線和可行性分析五、年度進(jìn)展安排寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件寬禁帶半導(dǎo)體材料優(yōu)越的物理化學(xué)特性表1幾種SiC多型體及其它常見半導(dǎo)體材料的性能比較特征SiGaAs3C-SiC4H-SiC6H-SiCGaN禁帶寬度(eV)1.121.432.43.263.03.4相對介電常數(shù)11.812.59.72109.669.5熱導(dǎo)率(W/K·cm)1.50.543.23.74.91.3擊穿電場(106V/cm)0.30.42.122.22.52.0電子遷移率(cm2/s·V)1500880080010004001000空穴遷移率(cm2/s·V)42540040115100200最大電子飽和速度(107cm/s)0.91.32.2222.5一、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件器件產(chǎn)生的損耗減少(導(dǎo)通電阻減至數(shù)分之一)

可高頻工作

可在高溫下工作熱導(dǎo)率約為Si的3倍絕緣耐壓約為Si的7~10倍電子飽和速度約為Si的2倍以上帶隙約為Si的3倍熔點(diǎn)約為Si的2倍周邊部件尺寸減小冷卻裝置尺寸減小或省去電力系統(tǒng)的精簡電力系統(tǒng)中電力損耗的減少效果與Si器件的優(yōu)點(diǎn)SiC功率器件與Si器件相比的優(yōu)點(diǎn)一、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件表2不同結(jié)構(gòu)的SiC電力電子器件的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀器件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究最高水平及商業(yè)化狀況SiC整流器肖特基器件（SBD）開關(guān)速度快2003年，美國Rutgers大學(xué)報(bào)道了阻斷電壓超過10kV的4H-SiC的肖特基器件，比導(dǎo)通電阻為97.5mΩ·cm2。已商業(yè)化。PIN器件耐壓高于肖特基器件，開關(guān)速度低于肖特基器件2001年，利用結(jié)終端延伸技術(shù)，日本報(bào)道了耐壓至19.5kV的4H-SiC的臺面型pin二極管。結(jié)勢壘肖特基器件（JBS）結(jié)合了pn結(jié)和肖特基結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，耐壓和開關(guān)速度介于兩者之間2007年美國的Cree公司研制了SiC10kV/20A的結(jié)勢壘肖特基二極管。已有商業(yè)化樣品。SiC單極型開關(guān)MOSFET高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻2004年，美國的Cree公司報(bào)道阻斷電壓高達(dá)10kV，比導(dǎo)通電阻為123mΩ·cm2的4H-SiCDMOSFET。已有1200V/10、20A的商業(yè)樣品。JFET高速的開關(guān)性能2004年，美國Rutgers大學(xué)報(bào)道擊穿電壓為11kV、比導(dǎo)通電阻為130mΩ·cm2的SiC-JFET器件。已有1200V和1800V、15A～30A的商業(yè)樣品。SiC雙極型開關(guān)BJT開關(guān)速度與MOSFET相當(dāng)，驅(qū)動電路較MOSFET器件復(fù)雜2004年，美國Rutgers大學(xué)報(bào)道擊穿電壓為9.2kV，比導(dǎo)通電阻為33mΩ·cm2的的SiCBJT器件。已有1200V/6、20A的商業(yè)樣品。IGBT適合于中高壓等級2007年，Purdu大學(xué)研制了阻斷電壓高達(dá)20kV的SiCP-IGBT。一、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件電力電子器件的發(fā)展趨勢：一、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

更大導(dǎo)通電流容量、更高阻斷電壓及更高功率容量；低通態(tài)電阻和低通態(tài)壓降；更快的開關(guān)速度和更高的工作頻率等方向發(fā)展。寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件3研究內(nèi)容（1）SiC電力電子器件的器件物理研究。包括SiC高壓二極管及SiC-MOSFET晶體管的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，器件的耐壓解析模型的建立，場板、場限環(huán)及結(jié)終端延伸等終端保護(hù)技術(shù)在器件上的應(yīng)用與設(shè)計(jì)，完善寬禁帶SiC功率器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論等。（2）SiC電力電子器件制備的關(guān)鍵技術(shù)研究。包括SiC材料的歐姆接觸、肖特基接觸的研究，SiC離子注入及退火技術(shù)研究，SiC表面處理及高性能的氧化層制備技術(shù)研究，SiC材料的低損傷刻蝕技術(shù)研究，及其各關(guān)鍵工藝技術(shù)的整合等內(nèi)容。（3）器件的可靠性及失效機(jī)理研究。包括SiC電力電子器件反向漏電流機(jī)理研究，高溫下SiC材料的歐姆接觸、肖特基接觸、SiO2/SiC界面態(tài)、SiC器件的導(dǎo)通、擊穿和開關(guān)速度等特性的可靠性研究等。SiC電力電子器件的主要研究內(nèi)容：寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件3研究內(nèi)容

二、研究內(nèi)容、擬解決的技術(shù)難點(diǎn)（1）器件的合理化設(shè)計(jì)。（2）SiC的熱氧化技術(shù)?？煽啃约笆C(jī)理研究。SiC材料的歐姆接觸，SiO2/SiC界面態(tài)，器件的導(dǎo)通、擊穿和開關(guān)速度等特性的可靠性研究。②SiC離子注入以及摻雜離子激活在碳化硅器件研究中，摻雜注入要求在高溫注入之后高溫退火激活注入離子。對于離子注入的最大深度、最高濃度分布狀態(tài)以及標(biāo)準(zhǔn)偏差分布進(jìn)行計(jì)算，在研究中采用相應(yīng)的注入能量、劑量，得到所需要的注入離子分布狀態(tài)。與硅材料中摻雜離子基本處于激活態(tài)不同，碳化硅材料中的摻雜離子一般條件下只有部分處于激活狀態(tài)，并且其激活的比率與多種因素直接相關(guān)。在碳化硅材料中的注入離子激活能比較高，對于同一種離子，隨著注入離子濃度、注入能量的不同，離子在不同條件下激活之后可能產(chǎn)生不同的的深能級，形成不同導(dǎo)電類型的摻雜。因此，離子注入摻雜激活機(jī)理的研究對于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的摻雜目的是必不可少的。擬解決的技術(shù)難點(diǎn)：寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件三、研究目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)SiC功率二極管，器件的阻斷電壓大于4500V，最高正向?qū)娏鞑恍∮?00A，開關(guān)頻率不少于100kHz；

SiC功率開關(guān)最高正向阻斷能力不低于4500V，最高正向?qū)娏鞑簧儆?0A，開關(guān)頻率不少于100kHz；器件經(jīng)過高溫（200）反偏、溫度循環(huán)、功率循環(huán)、溫度和濕度試驗(yàn)。研究目標(biāo)：SiC功率整流器和功率開關(guān)的研制技術(shù)指標(biāo)：寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件技術(shù)路線：四、研究方法、技術(shù)路線和可行性分析器件的研制離子注入退火技術(shù)熱氧化技術(shù)歐姆接觸肖特基接觸…器件的性能測試及分析高性能器件器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外延材料生長器件結(jié)構(gòu)調(diào)整工藝分析和改進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件（1）SiC器件物理和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究方案。建立SiC材料合理的參數(shù)模型，包括載流子統(tǒng)計(jì)模型、遷移率模型、復(fù)合率模型、碰撞電離模型和隧道效應(yīng)模型。對SiC肖特基結(jié)勢壘二極管中的p利用仿真模擬軟件對SiC高壓二極管器件的能帶圖、電場分布等特性進(jìn)行仿真計(jì)算，分析器件中載流子輸運(yùn)機(jī)理，研究器件結(jié)構(gòu)及場板、場環(huán)和結(jié)終端延伸等不同終端保護(hù)技術(shù)對器件擊穿特性的影響機(jī)理，從而設(shè)計(jì)和優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，獲得合理化器件結(jié)構(gòu)。對于IGBT器件，影響器件的阻斷電壓的主要因素，包括漂移層的厚度和載流子濃度；影響器件通態(tài)壓降的因素，包括反型層溝道的遷移率、pnp晶體管的注入效率以及p型發(fā)射極的歐姆接觸電阻等；影響器件的開關(guān)速度的因素，包括基區(qū)的少子壽命，厚度和摻雜濃度等。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)計(jì)算工具、仿真模擬軟件等對SiCIGBT器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括阻擋層的厚度及摻雜濃度、漂移層的厚度及摻雜濃度、溝道長度、發(fā)射區(qū)摻雜及深度、基區(qū)摻雜及深度等器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和SiC的材料參數(shù)，包括載流子壽命、界面態(tài)密度等，對IGBT器件內(nèi)部的能帶圖、電場分布，器件的轉(zhuǎn)移特性、輸出特性、擊穿電壓等靜態(tài)特性，開關(guān)速度等動態(tài)特性，進(jìn)行模擬仿真，分析器件器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)對器件性能的影響機(jī)理；合理解決器件通態(tài)壓降與耐壓、開關(guān)速度的折中關(guān)系。四、研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法：寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件（2）SiC器件制備關(guān)鍵技術(shù)研究方案。SiC的歐姆接觸的研究，通過快速熱退火技術(shù)、傳輸線模型技術(shù)、變溫I-V測試等技術(shù)，研究Ni、NiSi等金屬在n型SiC材料上的歐姆接觸、研究Ti、Ni、Pt、SiAl等金屬在p型SiC材料的歐姆接觸特性及其形成機(jī)理的研究；利用Trim軟件模擬P、N、Al等離子注入在SiC中能量、深度、偏差和雜質(zhì)濃度分布，改變離子注入后雜質(zhì)激活退火的溫度、時(shí)間、氛圍、密封劑等工藝條件，研究離子注入形成歐姆接觸高摻雜區(qū)及終端保護(hù)技術(shù)的制備研究；利用變溫的I-V和C-V特性對Pd、Ni、Pt等金屬與SiC材料肖特基接觸進(jìn)行研究，分析界面態(tài)對肖特基勢壘高度的影響，分析器件的反向漏電機(jī)理；通過改變刻蝕氣體的功率、流量配比等參數(shù)對SiC材料的刻蝕技術(shù)研究等。四、研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法：寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件（2）SiC器件制備關(guān)鍵技術(shù)研究方案。利用變溫I-V特性測試、表面成分分析測試等手段研究SiC歐姆接觸的高溫可靠性，分析歐姆接觸的對器件失效機(jī)理的影響。通過變溫I-V特性和變溫C-V特性的測量，研究SiC材料和界面態(tài)對器件的失效機(jī)理等影響。通過仿真模擬軟件研究不同溫度對器件的靜態(tài)和動態(tài)特性，和閂鎖效應(yīng)的影響。對器件的可靠性進(jìn)行評估、對失效機(jī)理進(jìn)行分析。四、研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法：寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件

四研究基礎(chǔ)在SiC器件的工藝方面的研究已進(jìn)行SiC材料的刻蝕、減薄工藝，器件的設(shè)計(jì)與制備等方面的研究。中國科學(xué)院微電子研究所研究基礎(chǔ)：不同Ni、Ti、Pt金屬體系的肖特基接觸；表面處理、肖特基金屬退火等技術(shù)對肖特基勢壘的影響研究；關(guān)于肖特基接觸可靠性的高溫存儲研究；肖特基二極管反向泄漏電流的形成機(jī)理研究等。肖特基二極管I-V特性寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件謝謝！寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件

四研究基礎(chǔ)中國科學(xué)院微電子研究所研究基礎(chǔ)：

開展了SiC材料ICP刻蝕參數(shù)優(yōu)化、刻蝕掩模的確定及其選擇比優(yōu)化等刻蝕技術(shù)的研究。在SiC器件的工藝方面的研究已進(jìn)行SiC材料的刻蝕、減薄工藝，器件的設(shè)計(jì)與制備等方面的研究。寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件主要內(nèi)容一、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢二、研究內(nèi)容、擬解決的技術(shù)難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)三、研究目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)四、研究方法、技術(shù)路線和可行性分析五、年度進(jìn)展安排寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件對于IGBT器件，影響器件的阻斷電壓的主要因素，包括漂移層的厚度和載流子濃度；影響器件通態(tài)壓降的因素，包括反型層溝道的遷移率、pnp晶體管的注入效率以及p型發(fā)射極的歐姆接觸電阻等；影響器件的開關(guān)速度的因素，包括基區(qū)的少子壽命，厚度和摻雜濃度等。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)計(jì)算工具、仿真模擬軟件等對SiCIGBT器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括阻擋層的厚度及摻雜濃度、漂移層的厚度及摻雜濃度、溝道長度、發(fā)射區(qū)摻雜及深度、基區(qū)摻雜及深度等器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和SiC的材料參數(shù)，包括載流子壽命、界面態(tài)密度等，對IGBT