碳化硅超结器件的研究进展

碳化硅(SiC)材料由于其出色的物理和化学特性,非常适用于制造高温和大功率半导体器件。虽然SiC功率二极管和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)展示了出色的器件性能,并获得广泛的应用,但是其单极型器件的一维理论极限仍限制了传统器件性能的进一步提升。超结(SJ)作为一种在硅基器件中广泛应用的技术,能明显改善器件击穿电压和比导通电阻之间的折中关系,提升器件的性能。近年来,SiC SJ器件逐渐成为研究的热点,并取得显著进展。文章从SiC SJ器件的设计与仿真模拟、模型研究和SJ工艺制备技术等方面论述了其最新研究现状及发展方向。

碳化硅MOSFET栅氧化层可靠性研究

通过TCAD仿真的方法对器件可靠性与结构设计之间的关系进行分析;对栅极电压和栅氧化层最强电场进行仿真,以对碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)单胞结构参数进行优化;在N型碳化硅外延层上制作金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor,MOS)电容,并且通过对MOS电容进行C-V测试的方法评估Si O2/Si C界面质量。对导带附近界面陷阱密度进行比较。NO退火的样品与干氧氧化样品相比界面质量明显改善,界面态密度小于5×10~11 cm–2e V–1。

碳化硅功率器件的应用与发展趋势

功率器件作为能源转换系统的核心部件被广泛应用于各类电子设备中,碳化硅功率器件凭借其更低的导通电阻、更高的工作温度和工作电压等优异特性,在高压大功率领域得到越来越多的应用。本文简述了碳化硅材料的特性优势,碳化硅功率器件的主要类型和结构,以及碳化硅器件的主要应用领域,最后总结了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管等功率器件的主要发展趋势。

碳化硅MOSFET并联技术研究

碳化硅功率器件具有更高的开关频率和耐压特性,为了提高碳化硅功率驱动的过流能力,同时降低引线电感,设计一个由4个碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)并联的驱动模块。详细介绍了栅驱动器原理、印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)布局以及静态和动态均流性能波形,通过分析验证了电阻等器件参数的差异对均流的影响。

1700V碳化硅MOSFET设计

设计了一种击穿电压大于1 700V的SiC MOSFET器件。采用有限元仿真的方法对器件的外延掺杂浓度及厚度、有源区结构以及终端保护效率进行了优化。器件采用14μm厚、掺杂浓度为5×1015cm-3的N型低掺杂区。终端保护结构采用保护环结构。栅压20V、漏压2V时,导通电流大于1A,击穿电压高于1 800V。

1200V碳化硅MOSFET设计

设计了一种阻断电压大于1 200V的碳化硅(SiC)MOSFET器件。采用有限元仿真的方法对器件的终端电场分布进行了优化。器件采用12μm厚、掺杂浓度为6e15cm-3的N型低掺杂区。终端保护结构采用保护环结构。栅压20V、漏压2V时,导通电流大于13A,击穿电压达1 900V。

碳化硅基MOSFETs器件研究进展

基于近20年的研发,宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFETs)的制备工艺逐步成熟,性能不断提高,已有SiC MOSFETs产品进入市场,故综述双注入MOSFETs(DMOSFETs)和沟槽MOSFETs(UMOSFETs)两种结构的SiC MOSFETs的研究进展和发展趋势,并介绍SiC MOSFETs器件制备的关键工艺和目前推出SiC MOSFET产品的公司及其产品性能。

碳化硅MOSFET电路模型及其应用

建立了新颖的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管等效电路模型.在常规碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管等效电路模型的基础上,引入了栅极氧化层泄漏电流模型和PN结的泄漏电流模型,并用能够反映碳化硅/氧化层界面特性的迁移率模型替换常规碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管电路模型中的常数迁移率.有关文献的实验数据验证了所建立的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管电路模型的准确性.与常规碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管电路模型相比,文中的电路模型能较为准确地模拟出碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的氧化层泄漏电流和短路失效现象.另外,该模型还可以用于讨论碳化硅/氧化层界面陷阱对工作在短路状态下的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管特性的影响.

碳化硅MOSFET电学参数的电容-电阻法评估

阈值电压、栅内阻、栅电容是碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的重要电学参数,但受限于器件寄生电阻、栅介质界面态等因素,其提取过程较为复杂且容易衍生不准确性。文章通过器件建模和实验测试,揭示了MOSFET的栅电容非线性特征,构建了电容-电阻串联电路测试方法,研究了SiC MOSFET的栅内阻和阈值电压特性。分别获得栅极阻抗和栅源电压、栅极电容和栅源电压的变化规律,得到栅压为-10 V时的栅内阻与目标值误差小于0.5Ω,以及串联电容相对栅源电压变化最大时的电压近似为器件阈值电压。相关结果与固定电流法作比较,并分别在SiC平面栅和沟槽栅MOSFET中得到验证。因此,该种电容-电阻法为SiC MOSFET器件所面临的阈值电压漂移、栅极开关振荡现象提供较为便捷的评估和预测手段。

基于第一性原理的碳化硅界面态机制研究进展

碳化硅(SiC)金属–氧化物–半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)具有低导通电阻及高击穿临界场强等特点,在高压开关器件领域有着较为广阔的应用及发展前景。但由于SiC/SiO_2具有较高的界面态密度,使得器件反型沟道电子迁移率过低,从而严重阻碍SiC器件的广泛应用。为有效地控制界面态,回顾了国内外对SiC/SiO_2界面态的第一性原理研究进展,分析界面态的形成机制,讨论近导带边界中高界面态的根本原因,为SiC器件工艺制备提供理论指导。

适用于SiC MOSFET的漏源电压积分自适应快速短路保护电路研究

SiC MOSFET因其高击穿电压、高开关速度、低导通损耗等性能优势而被广泛应用于各类电力电子变换器中。然而,由于其短路耐受时间仅为2~7μs,且随母线电压升高而缩短,快速可靠的短路保护电路已成为其推广应用的关键技术之一。为应对不同母线电压下的Si C MOSFET短路故障,文中提出一种基于漏源电压积分的自适应快速短路保护方法(drain-sourcevoltageintegration-basedadaptivefast short-circuit protection method,DSVI-AFSCPM),研究所提出的DSVI-AFSCPM在硬开关短路(hardswitchingfault,HSF)和负载短路(fault under load,FUL)条件下的保护性能,进而研究不同母线电压对DSVI-AFSCPM的作用机理。同时,探究Si CMOSFET工作温度对其响应速度的影响。最后,搭建实验平台,对所提出的DSVI-AFSCPM在发生硬开关短路和负载短路时不同母线电压、不同工作温度下的保护性能进行实验测试。实验结果表明,所提出的DSVI-AFSCPM在不同母线电压下具有良好的保护速度自适应性,即母线电压越高,短路保护速度越快,并且其响应速度受Si CMOSFET工作温度影响较小,两种短路工况下工作温度从25℃变化到125℃,短路保护时间变化不超过90 ns。因此,该文为Si CMOSFET在不同母线电压下的可靠使用提供一定技术支撑。

一种新型可调驱动电压的SiC/Si混合开关驱动电路

为提高碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(silicon carbide metal oxide semiconductor filed effect transistor,SiC-MOSFET)与硅基绝缘栅极双极晶体管(silicon insulated gate bipolar transistor,Si-IGBT)并联混合开关(SiC/Si hybrid switch,SiC/Si HyS)的可靠性与适用性,该文提出一种可变驱动电压的SiC/Si HyS栅极驱动电路结构,采用一路脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)控制信号和一个驱动芯片产生不同电压幅值的栅极控制信号,分别控制SiC/Si HyS中的SiC-MOSFET和Si-IGBT。相比于传统采用2个独立驱动电路的SiC/Si HyS驱动结构,该驱动电路大幅度降低SiC/Si HyS栅极驱动电路的复杂度,降低SiC-MOSFET关断过程中Si-IGBT误导通的可能性,提升混合开关的工作可靠性。该文首先分析所设计驱动电路工作原理,给出驱动电压调节方法;其次,建立耦合电容端电压纹波和系统启动时电容端电压暂态数学模型,通过仿真和实验验证模型准确性;搭建2 kW的SiC/Si混合开关Buck电路,验证该文所提混合开关驱动电路可行性,从SiC/Si HyS功率器件关断损耗、驱动电路功率损耗、成本以及体积4个方面分析所提驱动结构的优势。

SiC MOSFET驱动特性及器件国产化后的影响分析

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管SiC MOSFET(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)作为一种新型、广泛应用的开关器件,在实际应用中具有更快的开关速度和更低的器件损耗,可以提高变换器的效率,体现更好的性能。针对SiC MOSFET驱动特性,分析寄生参数对其的影响;搭建双脉冲实验平台,分析栅源电压与SiC MOSFET导通时间的关系;针对现有国产SiC MOSFET存在的不足之处,基于搭建的实验平台及其他电源产品,对SiC MOSFET进行国产化器件替代后导通时间、驱动损耗及负压幅值变化的相关分析。

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。

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。

基于米勒平台电压的SiC MOSFET结温监测及校正方法

基于导通米勒平台电压的碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(SiC metal-oxide-semiconductor field effect transistor,SiC MOSFET)结温监测方法受到功率回路负载电流和驱动电路电阻等参数的影响,会造成很大的测量误差。文中以降压变化电路中的SiC MOSFET为研究对象,研究了负载电流和驱动电阻、电感对导通米勒平台电压的影响,并进行了多组校准试验,建立了新的结温监测方法。试验验证了文中提出的结温监测及校正方法的有效性,且最大误差小于6.9℃。文中提出的结温检测方法可在具有不同负载电流和驱动电阻的变换器中准确获取结温信息。

国产6.5 kV/400 A SiC MOSFET模块研制及电气特性研究

为满足当前新型电力系统中电能变换装备对器件高压、大容量、工作频率高、开关损耗低的需求,文中自主研制一款国内最高功率等级的6.5 kV/400 A碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)模块,并对其电气特性开展研究。首先,对模块的电路与封装结构进行设计,通过热仿真和阻抗测量手段,对所研制模块的热特性以及回路寄生参数进行分析;其次,对所研制的模块开展常温(25℃)及高温(150℃)下的静态、动态特性测量。测量结果表明,在常温、高温条件下,模块的阻断漏电流与栅源极漏电流微小,且开关损耗维持一致,具备较好的耐高温特性。同时,相较于同电压电流规格的硅绝缘栅双极型晶体管器件,模块开关损耗可降低72%以上。最后,搭建碳化硅器件连续运行工况实验平台,模拟器件在换流装备中的实际运行工况,对模块进行半桥正弦脉宽调制逆变连续运行实验。连续运行实验结果表明,该模块在电压3600 V、器件电流峰值280 A条件下连续运行1h无异常,初步验证模块具备工程应用能力。研究可为高压碳化硅MOSFET的研制及工程应用提供一定支撑。

TCE浓度对热氧化制备6H-SiC MOS特性的影响

研究了新型SiCMOS电容的制备工艺。采用干O2+CHCCl3(TCE)热氧化方法生长6H-SiCMOS氧化层。研究了TCE浓度与SiC/SiO2界面态电荷密度和氧化层电荷密度和应力下平带电压漂移的关系,随着TCE浓度的增加,SiC/SiO2界面态电荷密度和氧化层电荷密度先减小后增大,应力下平带电压漂移减小,得出了最佳TCE:O2浓度比。

电子回旋共振氮等离子体氧化后退火对4H-Si CMOS电容TDDB特性的影响

SiC MOS器件氧化膜可靠性是SiC器件研究中的重要方面。本文对4H-SiC MOS结构进行电子回旋共振(ECR)氮等离子体氧化后退火工艺处理,采用阶跃电流经时击穿以及XPS分析的方法对其氧化膜稳定性进行了电学以及物理性质方面上的分析。经分析氮等离子体处理8min的样品击穿时间和单位面积击穿电荷量都有了明显提高,并且早期失效比率有了明显降低。实验结果表明,经过适当时间的处理,ECR氮等离子体氧化后退火工艺可以有效地降低界面缺陷的密度,提高界面处激活能,从而提高绝缘膜耐受电流应力的能力。

用于SiC MOSFET开关电压测量的非接触式电场耦合电压传感器

准确测量碳化硅(silicon carbide,SiC)金属–氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)开关电压是评估SiC MOSFET开关特性、计算开关损耗、优化变换器设计的关键。随着SiC MOSFET开关速度、耐压及功率密度的提升,开关电压测量难的问题逐渐凸显,因此对电压传感器的带宽、耐压和侵入性提出了新的要求。该文以SiC MOSFET的开关电压为研究对象,根据目前开关电压的测量需求,提出一种利用电场耦合原理测量开关电压的非接触式电压传感器,并设计混合积分电路对传感器输出信号进行电压重构。在此基础上,通过仿真和计算着重分析电场耦合电压传感器的结构和电路参数的设计依据。传感器带宽范围为5Hz~260MHz,量程为-1000~+1000V,输入电容约为0.73pF,最后利用双脉冲测试,将其与商用示波器探头的测量结果进行对比,验证电场耦合电压传感器的准确性。