200 V全碳化硅集成技术

本文提出了一种基于N衬底P外延晶圆的全碳化硅(Silicon Carbide,SiC)集成工艺平台,该工艺平台兼容低压互补金属氧化物半导体场效应晶体管(Complementary Metal Oxide Semiconductor field-effect transistor,CMOS)、横向扩散金属氧化物半导体(Laterally-Diffused MOS,LDMOS)以及高压二极管等器件.采用P型缓冲层技术调节器件垂直方向电场分布,使高压器件垂直方向耐受电压提高212.4%;在1μm厚度的P型缓冲层和1μm厚度的P型外延层上,实现LDMOS、高压二级管和高侧区域耐受电压大于300 V.基于该工艺平台,搭建了SiC CMOS反相器和反相器链电路,均实现了0~20 V轨至轨的电压输出;设计了半桥驱动电路,低压侧驱动电路由四阶反相器构成;高压侧驱动电路由电平移位电路和高侧区域反相器链电路组成,实现了180~200 V浮空栅极驱动信号输出.

封装黏合层材料对碳化硅高温压力传感器性能的影响

高温微电子机械系统(MEMS)动态压力传感器常用于恶劣环境下的动态测试,其稳定工作受限于可靠的封装。通过有限元仿真软件对不同封装黏合层材料对传感器静、动态特性的影响进行研究。仿真结果表明,以无机高温胶作为黏合层材料的传感器在常温下固有频率为488.68 kHz、上升时间为60μs,600℃下灵敏度为73.41 mV/MPa,相比采用环氧树脂和玻璃黏合层材料的传感器,其抗冲击干扰性能及响应时间等动态性能具有一定优势。测试结果表明,在常温至300℃,以无机高温胶作为黏合层材料的传感器零点输出电压从2.16 mV升至7.45 mV,满量程输出电压由124.0 mV降至69.35 mV,与仿真结果有相同的趋势,为碳化硅高温压力传感器封装工艺黏合层材料选材提供了参考。

考虑驱动电压与开关时序协同调控的Si/SiC混合器件开关策略

硅基(Si)绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)和碳化硅基(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)并联组成的Si/SiC混合器件,已被证实具有SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性和Si IGBT的大载流能力、低成本的优势。然而,目前Si/SiC混合器件性能提升的研究并未兼顾效率和可靠性,且存在调控手段单一的劣势。基于此,该文详细分析不同负载电流下驱动电压、开关时序等调控参数对Si/SiC混合器件损耗和电应力的影响,提出一种考虑驱动电压与开关时序协同调控的Si/SiC混合器件开关策略。所提开关策略通过不同电流区间采用驱动电压与开关时序相配合的方式,在保障Si/SiC混合器件可靠性的前提下,提高其运行效率。该文搭建双脉冲测试实验平台与稳态参数测量实验平台对所提开关策略进行验证。实验结果表明,相较于传统开关策略,Si/SiC混合器件采用本文所提开关策略在开通损耗、关断损耗以及导通损耗方面分别减少13%、21%和32%。

SiC MOSFET的质子单粒子效应

SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在深空探测领域具有广阔的应用前景,但空间质子引发的单粒子效应(SEE)对航天器稳定运行造成了严重威胁。对平面栅结构与非对称沟槽栅结构的SiC MOSFET进行了能量为70、100与200 MeV的质子辐照实验。实验结果表明,两种SiC MOSFET的单粒子烧毁(SEB)阈值电压均大于额定漏源电压的75%;SEB阈值电压随质子能量升高而降低。对两种器件进行辐照后栅应力测试发现,两种结构的器件由于沟道不同而对栅应力的响应存在差异;不同的质子能量会在栅极引入不同程度的辐射损伤,低能质子更容易在栅氧化层发生碰撞而引入氧化物潜在损伤。该研究可为揭示SiC MOSFET质子SEE机理和评估抗辐射能力提供参考。

基于SiC功率器件的PFC电路设计

利用碳化硅场效应管(SiC MOSFET)的特性,结合MC33262功率因数控制芯片,设计一款具有负压关断作用且输出400 V、250 W,效率为97%左右的功率因数校正(PFC)电路.该电路能够降低MOS管的开关损耗,提高电源功率因数,抑制电压与电流谐波系数,提升电源利用率以及稳定性.

SiC激光退火欧姆接触模拟分析及实验研究

实现高可靠性、低电阻欧姆接触是获得高性能SiC功率半导体器件的前提,其直接决定功率器件的能耗水平。激光退火凭借局域化、温升快、控制灵活、精度高、连续能量输出稳定等优点,成为SiC功率器件的新一代主流退火技术。总结了近年来国内外SiC功率器件激光退火研究进展,详细模拟分析了激光退火原理中光热传输特性,设计了355 nm紫外激光退火实验系统,对Ni/SiC进行了激光退火实验,在激光能量密度为2.55 J/cm^(2)条件下,比接触电阻为9.49×10^(-5)Ω·cm^(2)。研究结果对SiC功率器件激光退火欧姆接触性能提升提供了理论和数据支撑。

栅氧老化下SiC MOSFET开通瞬态栅极振荡特性研究

栅氧老化问题已成为制约碳化硅(SiC)金属半导体氧化物场效应管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)可靠性的关键因素,该文尝试利用SiC MOSFET高速开关在变换器中引起的高频开关振荡获取栅氧状态信息,重点研究栅氧老化对开通瞬态栅极高频振荡特性的影响。首先,分析SiC MOSFET栅氧老化机理及其对器件开通时间的影响。然后,建立开通瞬态栅极回路分阶段高频等效电路模型,揭示SiC MOSFET栅极开通振荡电流的形成机理和影响因素。最后,通过33 V高压栅偏加速老化实验进行验证。研究结果表明,随着栅氧老化程度的加深,SiC MOSFET阈值电压会逐渐增加而开通速度变慢,导致栅极开通振荡电流显著减小(约28%)。该文的工作有望为SiC MOSFET栅氧老化在线监测提供一种新的思路。

单晶SiC超精密加工研究进展

单晶碳化硅(SiC)的高脆性、高硬性和强化学惰性是制约第三代半导体超精密抛光发展的关键,实现衬底高效率、超光滑表面的加工具有挑战性。对于单晶SiC的化学机械抛光(CMP),分别从材料去除和工艺优化两个维度出发,阐述了CMP SiC的影响因素和规律,指出了该方法的不足。介绍了光催化、超声振动、电场、等离子体、磁流变、表面预处理等辅助CMP抛光方法,分析了复合增效抛光的去除机理和优势。通过对比发现,辅助能场的介入有助于改善SiC表面质量,并能获得较好的加工效果,然而,复合抛光技术涉及的能场复杂,多能场作用下的材料去除机制和工艺参数匹配仍需进行深入研究。最后,对未来单晶SiC超精密加工的研究给出了建议,并进行了展望。

碳化硅ICP刻蚀的掩膜材料

SiC材料由于具有非常强的化学稳定性与机械硬度,不能用酸或碱性溶液对其进行腐蚀,在MEMS制备工艺中,通常采用干法刻蚀来制备SiC结构。针对干法刻蚀中遇到的问题,比较了光刻胶、Al和Ni等多种掩膜材料对SiC刻蚀的影响以及SiC与掩膜材料的选择比。实验证明,光刻胶作为掩膜,与SiC的选择比约为1.67,并且得到的台阶垂直度较差。Al与SiC的选择比约为7,但是致密性差,并且有微掩膜效应。金属Ni与SiC的选择比约为20,并且得到的台阶比较垂直且刻蚀形貌良好。最后,使用Ni作为掩膜材料对SiC压阻式加速度传感器的背腔和压敏电阻进行了电感耦合等离子体(ICP)刻蚀。

碳化硅MOSFET器件高温栅偏特性的实验分析

为了评估不同电热应力和时间周期下碳化硅（Si C）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的高温栅偏特性,搭建了具备施加高温栅偏应力和测量器件静态特性以及两者快速切换的实验平台。从施加高温栅偏应力、去除应力后室温下短期恢复和长期恢复3个不同阶段研究了SiC MOSFET静态参数对高温栅偏应力的敏感度,以及不同时间周期范围内阈值电压的恢复能力。实验结果表明,高温栅极正偏压和高温环境存储都会导致器件阈值电压的正向漂移,室温施加栅极正偏压,器件阈值电压几乎不发生漂移。此外,长时间高温栅偏后,室温条件下器件的导通电阻和泄漏电流都表现出十分优异的稳定性。然而,高温栅偏后器件阈值电压的漂移程度还取决于恢复时间,恢复时间越长,阈值电压漂移程度越小。

无烟煤冶炼碳化硅废气排放规律研究

我国碳化硅(SiC)产能世界第一,但因冶炼方式粗放、行业排放标准缺失等原因,废气大量无组织排放,造成大气环境严重污染。使用半密闭收集装置,将废气由无组织排放变为有组织排放,继而研究其污染因子及排放规律。通过现场实测、标准比对等方法,确定污染因子为SO2、NOx、PM 3种常规污染因子和CO 1种特征污染因子。结果表明,SO2、NOx、PM的日排放量变化规律与冶炼温度存在趋同性;SO2、NOx、PM的日排放量在恒温阶段(高温段)最高,分别达439.00、59.04、38.81 kg/d。CO因同时受主副反应竞争性影响,其日排放量在升温和降温阶段较高,达6488.37 kg/d;在恒温阶段较低,为1203.70 kg/d。根据污染物日排放量,通过变频控制风机风量和吸收液流速,使之适配不同冶炼时期的污染物浓度,从而降低污染治理成本。

碳化硅MOSFET的高温栅偏特性

针对碳化硅(SiC)MOSFET存在的栅氧可靠性问题,对其展开高温栅偏(HTGB)试验研究。以阈值电压(V_(TH))和体二极管通态压降(V_(SD))作为特征参数,设计搭建应力及测试试验平台,研究SiC MOSFET在高温栅偏应力下的特征参数退化特性,并对短期恢复下特征参数的不稳定现象以及长期恢复对特征参数的影响进行了分析。试验结果表明,SiC MOSFET的VTH和VSD均受负向和正向高温栅偏的影响,并能够产生相反方向的参数漂移。撤去应力后存在恢复现象,使电参数受可恢复部分偏移量的影响具有不稳定性,且经过长期室温储存后仍存在进一步的恢复。

碳化硅功率模块焊接工艺研究进展

碳化硅(SiC)模块的封装技术是目前电力电子行业关注的热点,焊接材料和工艺是影响模块可靠性的关键环节。详细分析了当前国内外业界已使用或正在研究的焊接材料和工艺,包括应用于传统硅(Si)功率模块和SiC功率模块的常规无铅钎料、低温纳米银烧结、固液互扩散连接和纳米铜焊膏等。分析了各种工艺的焊接过程、焊层性能及存在的问题,明确了今后SiC功率模块高温封装焊接技术的发展方向,即低温纳米银烧结技术和固液互扩散技术将会是SiC功率模块焊接工艺的优选。

氢气体积流量对n型4H-SiC同质外延生长的影响

在商业化偏4°导电型4H碳化硅(SiC)衬底上采用化学气相沉积(CVD)的方法进行n型4H-SiC同质外延层生长,研究反应过程中氢气(H2)对外延生长的影响,并使用表面缺陷测试仪、汞探针和红外膜厚仪等设备对外延层进行分析和表征。结果表明,氢气体积流量由基础值80增加到120 L/min,生长速率呈先增加后降低的趋势,生长速率的增加值最大为2μm/h,但缺陷呈先减少后增加的趋势。在高温CVD外延过程中,生长速率阶段性变化的原因:一是生长速率由气相质量转移系数和表面化学反应速率共同决定;二是氢气体积流量过大时,大量的析出氢难以及时离开生长表面,不利于反应物的有效分解和再沉积过程。综上所述,采用100 L/min氢气体积流量的生长工艺可在较高生长速率下制备高质量、厚度均匀性0.91%和载流子浓度均匀性1.81%的SiC外延片。

基于碳化硅器件的无线充电系统电源设计

碳化硅(SiC)器件耐高频高温、散热性能好、导通电阻小,应用于无线充电系统可有效提高无线充电系统的效率。文中首先对比了SiC材料与Si材料的特性,在此基础上研制了一套基于SiC器件的无线充电系统电源装置。该装置由整流模块和逆变模块构成,输入端接市电,且装置的整流模块具有功率因数校正功能。文中详细给出了整流模块的整流桥选型策略、滤波电路参数设计方法、Boost电路功率器件和无源元件设计原则及开关管控制电路设计方法,还给出了逆变模块的开关管选型策略、开关管驱动电路和开关管保护电路的设计方法。最后,实验结果验证了方案的有效性和可行性,输入侧实现了高功率因数,逆变电路开关管电压振荡得到抑制,实验样机的效率峰值可达98.2%。

Pt催化甲酸气氛下的碳化硅低温键合

为实现碳化硅(SiC)在300℃以下的低温键合,研究了以Cu和Au作为键合中间层,利用Pt催化甲酸气氛预处理金属膜表面并为键合提供还原性保护气氛的低温键合方法。首先,研究了带有Cu金属层的SiC晶片在氮气、甲酸气氛以及Pt催化甲酸气氛下的键合过程,通过对比键合强度来验证Pt催化甲酸气氛下完成带有Cu层的SiC晶片键合的可能性。其次,采用扫描声学显微镜(SAM)和扫描电子显微镜(SEM)对键合后样品进行表征,并通过改变键合温度及键合加载的压力,研究关键工艺参数对于键合强度的影响。最后,对比了Cu, Au两种中间层金属在不同气氛下的SiC-SiC键合效果。研究结果表明:相比不含甲酸的N_(2)气氛以及未经过Pt催化的甲酸气氛,经过Pt催化的甲酸气氛能够更好地还原Cu表面的氧化物,实现带有Cu金属层的SiC-SiC低温键合;SEM、SAM测试表明键合界面无明显空洞,键合效果良好;与使用Au层的SiC样品相比,在低温下基于Cu中间层的SiC样品键合强度显著高于Au中间层的样品,显示了本方法对还原表面主要为氧化物的金属层键合的优越性。本方法利用Pt催化甲酸气氛预处理Cu表面并为键合提供还原性保护气氛,在200℃时获得了12.5 MPa的剪切强度,实现了高强度的SiC-SiC低温键合。

高温应力下SiO_(2)/SiC近界面碳缺陷的结构与电子特性演变

SiO_(2)/SiC近界面碳缺陷是引起高温应力下SiC MOSFET可靠性劣化的主要根源。采用第一性原理密度泛函理论结合分子动力学,模拟计算了高温应力(425~625 K,间隔100 K)对SiO_(2)/SiC近界面碳缺陷(如羧基类、碳二聚体、碳三聚体等缺陷)结构和电子特性的影响。计算结果表明:施加高温应力后,羧基类碳缺陷结构稳定;碳二聚体缺陷的碳碳双键(C═C)转变为碳碳单键(C—C),且无法在SiC带隙中引入电荷态;碳三聚体缺陷在施加高温应力后转变为新的C═C和碳氧双键(C═O)复合缺陷。这种复合缺陷在SiC的价带顶和导带底附近均引入了缺陷态,有较强的电子捕获能力,是SiC MOSFET在高温应力下性能不稳定的主要因素。

基于碳化硅技术的下一代牵引系统研究

采用下一代基于碳化硅MOSSFET的牵引变流器和永磁同步牵引电机构成的交流电传动系统。下一代牵引系统高效率、高功率密度、低噪音的技术特点完全切合城市轨道交通运营商对节能、降耗及舒适性的需求。本项目牵引电传动系统主要特征有:新型轻量化、组合式铝合金牵引箱体;应用高压大功率全碳化硅MOSFET的下一代碳化硅MOSFET牵引功率单元;新型无极调速变流器强迫风冷系统;永磁同步牵引电机制造技术。对比传统硅基IGBT牵引变流器和异步牵引电机组成的牵引系统,下一代基于碳化硅MOSFET的轴控牵引变流器和永磁同步牵引电机组成的牵引系统最显著的体现在从零部件和系统上提高了效率,降低了能耗、体积、重量及噪声。

4H-SiC和6H-SiC功率VDMOSFET的单粒子烧毁效应

对基于4H-SiC和6H-SiC的垂直双扩散MOSFET(VDMOSFET)的单粒子烧毁(SEB)效应进行了对比研究。建立了器件的二维仿真结构,对不同SiC材料构成的器件物理模型及其材料参数进行了修正。利用Silvaco TCAD软件进行了二维器件的特性仿真,得到了两器件SEB效应发生前后的漏极电流曲线和电场分布图。研究结果表明,4H-SiC和6H-SiC VDMOSFET的SEB阈值电压分别为335 V和270 V,发生SEB效应时的最大电场强度分别为2.5 MV/cm和2.2 MV/cm,4H-SiC材料在抗SEB效应方面比6H-SiC材料更有优势。所得结果可为抗辐射功率器件的设计及应用提供参考。

注射成形制备SiCp/Al复合材料电子封装盒体的预成形坯

对碳化硅陶瓷注射喂料进行流变性能分析后得到合适的注射喂料.通过注射工艺和后续的脱脂-预烧结工艺成功制备出压渗用SiCp封装盒体的预成形坯.结果表明:SiCp装载量为65%,粘结剂成分为70%PW(石蜡)+29%HPDE(高密度聚乙烯)+1%SA(硬脂酸)的喂料在较宽的剪切速率和温度范围内均具有良好的注射性能;在合适的注射参数下可以制得完整无缺陷的注射坯;采用溶剂脱脂与热脱脂两步脱脂工艺,可以成功脱除注射坯体中的粘结剂,在1150℃进行预烧结,制备出了具有良好外观形貌、足够强度以及适中连通孔隙的预成形坯,可以满足后续加压渗铝制备SiCp/Al复合材料的封装盒体实验的要求.