碳化硅结势垒肖特基二极管质子辐照损伤研究

碳化硅功率器件凭借优异性能被抗辐照应用领域寄予厚望。为探究碳化硅功率器件抗中能质子辐照损伤能力,明确其辐射效应退化机制,对标低地球轨道累积十年等效质子位移损伤注量,针对高性能国产碳化硅结势垒肖特基二极管开展了10 MeV质子室温、无偏压辐照实验。测试了器件辐照前后的正向伏安特性、反向伏安特性、电容特性等电学特性,并通过深能级瞬态谱仪分析了辐照缺陷引入特点。结果显示:器件辐照后正向电性能稳定,较低反向安全电压下漏电流减小,注量增加后击穿电压严重退化;分析认为质子辐照导致势垒高度增加、辐照缺陷增加、载流子浓度降低。碳化硅肖特基功率器件的辐射损伤过程及机理研究,为其中能质子环境应用的评估验证提供了数据支撑。

4H-SiC结势垒肖特基二极管电子辐照效应测试分析

采用1 MeV电子辐照,开展了4H-SiC结势垒肖特基二极管(JBS)空间电子辐照效应测试分析。测试结果表明,随着辐照电子注量的增加,JBS的正向特性逐渐退化,串联电阻逐渐增加;电子注量为5×10^(14) cm^(-2)时,反向漏电流在高反向电压下有所增加;电子注量为5×10^(15) cm^(-2)时,反向漏电流明显降低;自由载流子浓度随辐照注量的增加而降低,载流子去除率约为0.37 cm^(-1)。通过对辐照前后的SiC外延片材料级辐照缺陷分析结果表明,电子辐照会在4H-SiC中引入体缺陷,如碳间隙原子、碳空位及其他复合缺陷;在较小注量下,辐照缺陷浓度随着辐照注量的增加而增加;当辐照注量超过5×10^(14) cm^(-2)时,出现了缺陷信号的淬灭现象。

2700V 4H-SiC结势垒肖特基二极管

在76.2 mm 4H-SiC晶圆上采用厚外延技术和器件制作工艺研制的结势垒肖特基二极管(JBS)。在室温下,器件反向耐压达到2 700 V。正向开启电压为0.8 V,在V_F=2 V时正向电流密度122 A/cm^2,比导通电阻R_(on)=8.8 mΩ·cm^2。得到肖特基接触势垒qΦ_B=1.24 eV,理想因子n=1。

采用场限环终端的2.5mΩ·cm^2,1750V4H-SiC结势垒肖特基二极管（英文）

该文报道具有最小比导通电阻的~1.7 k V 4H-SiC结势垒肖特基二极管。首先通过数值仿真对结势垒肖特基(junction barrier Schottky,JBS)二极管的有源区和终端结构进行了优化设计。实验结果验证了场限环(floating guard ring,FGR)终端的优化设计结构具有较强的鲁棒性,能够抵抗工艺中环间距的变化以及钝化层中寄生电荷的影响。实验制作的4H-SiC结势垒肖特基二极管实现了2.5 mΩ·cm2的最小比导通电阻值,接近于理论值(2.4 mΩ·cm2),并且具有优秀的反向阻断特性,获得了最高1.75 k V的阻断电压(达到了95%的理论值)和83%的器件良率,从而实现了SiC JBS二极管品质因数的最高记录(U22B/Ron_sp=1 225 MW/cm)。

p-GaN/n-Ga_(2)O_(3)结终端延伸肖特基二极管结构仿真研究

由于缺少p型氧化镓,造成调制电场十分有效的pn结结终端延伸(junction terminal extension,JTE)结构无法使用,提出采用p-GaN与n-Ga_(2)O_(3)之间形成pn结JTE结构,有效解决了这一问题。同时为进一步提升氧化镓肖特基二极管击穿电压提供理论指导,运用Silvaco软件对p-GaN/n-Ga_(2)O_(3)结终端延伸肖特基二极管(schottky barrier diode,SBD)进行了仿真研究,通过与对照肖特基二极管对比发现采用p-GaN/n-Ga_(2)O_(3)JTE结构的SBD击穿电压由880V增加到1349V,代价是器件正向导通电阻略微增加,由4.68mΩ·cm^(2)增至5.62mΩ·cm^(2)。探究了p-GaN深度对肖特基二极管特性的影响,发现p-GaN深度由0.3μm增加到1.2μm,器件击穿电压由1349V进一步提升到1685V,同时器件导通电阻基本不发生变化。通过仿真实验证明了p-GaN/n-Ga_(2)O_(3)JTE结构提升SBD反向击穿特性的可行性。

4H-SiC结势垒肖特基二极管VRSM特性研究

通过器件模拟仿真软件Sentauras和高分辨率透射电子显微镜HRTEM(High-Resolution Transmission Electron Microscopy)研究了4H-SiC结势垒肖特基二极管JBS(Junction Barrier Schottky)在反向浪涌电压应力作用下的失效机理;进而重点研究了结终端扩展区JTE(Junction Termination Extension)的长度、深度和掺杂浓度对该器件反向浪涌峰值电压VRSM(Maximum Surge Peak Reverse Voltage)的影响,并结合JBS的基本结构对其进行优化设计;最后,流片测试显示优化设计的4H-SiC结势垒肖特基二极管的VRSM值约为1450V,比原器件提升了20%左右。

碳化硅结势垒肖特基二极管的质子辐射效应

碳化硅结势垒肖特基二极管(SiC JBS)是新一代航天器电推进系统的关键部件,但高能粒子辐射严重威胁其可靠性与稳定性。为揭示其辐射损伤机理,为其抗辐射加固设计与考核评估储备数据,本研究基于加速器开展了先进商用SiC JBS 10~20 MeV中能质子地面辐照实验,并提取器件辐照前后的正向伏安特性、反向伏安特性、电容电压等电学参数及缺陷特性。系统分析器件关键特性随辐照条件的改变规律。结果显示,质子辐照引起了器件肖特基势垒升高、载流子浓度降低,且10 MeV较低能质子导致的位移损伤退化更严重。分析认为,PN结界面缺陷导致高性能商用SiC JBS反向电学性能对中能质子的辐照更加敏感,正向特性相对稳定,辐照生碳缺陷造成载流子去除效应是引起SiC JBS性能退化的主要机制。

4H-SiC TSOB结势垒肖特基二极管静态特性

为增强器件的反向耐压能力,降低器件的漏电功耗,采用Silvaco TCAD对沟槽底部具有SiO2间隔的结势垒肖特基二极管(TSOB)的器件特性进行了仿真研究。通过优化参数来改善导通压降(VF)-反向漏电流(IR)和击穿电压的折衷关系。室温下,沟槽深度为2.2μm时,器件的击穿电压达到1 610 V。正向导通压降为2.1 V,在VF=3 V时正向电流密度为199 A/cm2。为进一步改善器件的反向阻断特性,在P型多晶硅掺杂的有源区生成一层SiO2来优化漂移区电场分布,此时改善的器件结构在维持正向导通压降2.1 V的前提下,击穿电压达到1 821 V,增加了13%。在1 000 V反向偏置电压下,反向漏电流密度比普通结构降低了87%,有效降低了器件的漏电功耗。普通器件结构的开/关电流比为2.6×103(1 V/-500 V),而改善的结构为1.3×104(1 V/-500 V)。

3300V高压4H-SiC结势垒肖特基二极管器件的研制

为满足轨道交通电力牵引应用对高压SiC二极管器件的需求,对4H-SiC器件有源区采用了不同JBS栅条参数设计,并通过TCAD仿真对比分析了栅条参数对器件性能的影响;器件终端结构采用经过优化的35个场限环结构设计;最后采用Ti作为肖特基金属,制备获得的3 300 V/15 A 4H-SiC JBS器件势垒高度约为1.19 e V、击穿电压高于3 300 V。这是国内首次报道的3 300 V/15 A规格SiC JBS器件产品。通过实验测得:器件的特征导通电阻为7.6~19 mΩ·cm^2;室温下,反向偏压达到3 300 V时,器件的漏电流仅为0.3μA,雪崩击穿电压达到3 800 V。

新型多级沟槽结势垒肖特基二极管

提出了一种新型多级沟槽结势垒肖特基(MTJBS)二极管结构,并利用Silvaco TCAD软件对其进行仿真优化.结果表明:在相同的结构参数下,当反向偏压等于1200 V时,JBS二极管的肖特基接触处的峰值电场比MTJBS二极管高50.0%;在1200 V反向偏压下,当器件表面峰值电场等于1 MV/cm时,JBS二极管肖特基接触面宽度为1.6μm,MTJBS二极管肖特基接触面宽度为3.0μm.采用相同器件参数制备JBS与MTJBS二极管并进行电学性能测试对比,MTJBS二极管的正向导通特性未显示出明显的退化,但击穿电压提高了约200 V,同时反向漏电降低了2个数量级.

具有圆形P+区的1200 V SiC JBS二极管的研究

【目的】通过改变碳化硅(silicon carbide,SiC)结势垒肖特基二极管(junction barrier Schottky diode,JBS)的P+掺杂区的形状,将常规SiC JBS条形分布的P+掺杂区优化为圆形P+掺杂区,并两两之间以正三角形分布于肖特基接触之间。【方法】通过三维结构有限元仿真方法模拟以上两种SiC JBS结构的正反向特性,优化P+掺杂区宽度和外延层掺杂浓度,并进行对比分析。【结果】仿真结果显示,两种结构的反向击穿电压均高于1500 V,圆形P+掺杂区JBS二极管的正向导通压降比条形P+掺杂区JBS二极管的低:在正向电流密度为400 A/cm^(2)时,导通压降由条形P+结构的2.37 V降低至圆形P+结构的2.05 V,降低了13.5%;圆形P+结构在经过优化外延层掺杂浓度后,其在正向电流密度为400 A/cm^(2)时的导通压降为1.97 V,较条形P+结构的降低了16.9%。相较于条形SiC JBS,圆形P+结构具有更大的肖特基接触面积,在保证击穿电压的同时可以获得更低的导通压降,并通过优化器件的外延层掺杂浓度进一步降低器件的导通压降。【结论】本文将P+掺杂区形状由条形调整为圆形,并以正三角形分布排列。这种调整增大了器件的肖特基接触面积,优化了正向导通特性,并通过优化器件的外延层掺杂浓度进一步提高了导通特性,获得了更低的导通压降。

POP型SiC JBS二极管结构的改进与性能优化

为了进一步提高SiC JBS的反向击穿特性和BFOM值,对POP型SiC JBS结构进行了重要改进。虽然它们都是采用外延的方法在一个较窄的轻掺杂P阱上面再制作一个较宽的重掺杂P区,但是改进的结构在二者的界面附近存在一段等宽区,即P阱的上半部分与重掺杂P区同宽,从而大幅度降低重掺杂P区的边缘电场集中效应以提高击穿电压。通过理论分析与MEDICI软件仿真,深入探讨了这种结构变化对器件性能的影响。结果表明,在不增加额外工艺的情况下,改进的结构可大幅度提高BFOM和击穿电压。

4500V碳化硅肖特基二极管研究

设计了一种阻断电压4 500V的碳化硅(SiC)结势垒肖特基(JBS)二极管。采用有限元仿真的方法对器件的外延掺杂浓度和厚度以及终端保护效率进行了优化。器件采用50μm厚、掺杂浓度为1.2×1015cm-3的N型低掺杂区。终端保护结构采用保护环结构。正向电压4V下导通电流密度为80A/cm2。

AlGaN/AlN/GaN肖特基二极管的电学性能

利用金属有机化学气相淀积(MOCVD)方法生长的AlGaN/AlN/GaN/蓝宝石材料制备了AlGaN肖特基二极管.器件的肖特基接触和欧姆接触分别为Ti/Pt和Ti/Al/Ti/Au,均采用电子束蒸发的方法沉积.AlGaN表面欧姆接触的比接触电阻率为7.48×10-4Ω/cm2,器件的I-V测试表明该AlGaN肖特基二极管具有较好的整流特性.根据器件的正向,I-V特性计算得到器件的势垒高度和理想因子分别为0.57eV和4.83.将器件在300℃中温退火,器件的电学性能有所改善.

10A/600V大功率硅基JBS肖特基二极管的制备

为了弥补传统肖特基二极管漏电流大和反向耐压低的不足,采用栅条P+-N结和肖特基结嵌套形成结势垒肖特基二极管(JBS),终端结构由7道场限环和1道切断环构成。通过模拟确定最优参数后流片试验,同步制备肖特基二极管(SBD)和Pi N二极管作为对比。结果表明:制备的JBS二极管兼备SBD二极管正偏和Pi N二极管反偏的优点。在漏电流密度小于1×10-5A/cm2时,反向耐压达到600 V;正向电流10 A(80.6 A/cm2)时,导通压降仅为1.1V。

JTE终端结构4H-SiC JBS二极管的击穿特性研究

研究了JTE终端结构4H-SiC JBS二极管的击穿特性。首先,理论模拟了JTE终端横向长度、离子注入剂量和界面电荷对击穿电压的影响。对工艺条件进行优化,制作了JTE终端结构4H-SiC JBS二极管。测试结果表明,器件的正向电压为1.52 V,特征导通电阻为2.12 mΩ·cm^(2),击穿电压为1 650 V。接着,研究器件的变温电流-电压特性发现,正向电流主要为热发射机制,而反向电流与电压、温度有很强的依赖关系。最后进行了高温反偏应力老化测试,结果表明,击穿电压呈下降趋势。

一种基于4H-SiC JBS二极管的Boost型PFC电路

传统Si基快恢复二极管(FRD)在应用时由于反向恢复电流大、漏电流高等问题限制了电力电子电路的性能提升。基于此,提出了一种4H-SiC结势垒肖特基(JBS)二极管在功率因数校正(PFC)电路中的应用方案。首先测试比较了制备的4H-SiC JBS和Si FRD的关键电学参数,指出反向恢复特性是影响器件损耗的关键;然后介绍了PFC电路的拓扑结构以及二极管的损耗分析方法;最后分别基于4H-SiC JBS二极管和Si FRD搭建了1000 W Boost PFC样机,电路开关频率为50 kHz。结果表明:当输出功率为1000 W时,相比于传统的Si FRD,使用4H-SiC JBS二极管的整机效率由97%提升至98.13%;当输出功率从400 W增至1000 W时,Si FRD的工作温度从36.2℃上升至96.6℃,而4H-SiC JBS二极管的温度仅从27.8℃上升至47.8℃。使用4H-SiC JBS二极管可以降低PFC电路的开关损耗和散热要求,有助于提高电路整体性能。

液晶显示器开关电源中的特殊元件——肖特基二极管

在液晶显示器电源电路的输出部分，普遍采用的是肖特基二极管做输出端的整流二极管。 一旦损坏后，不能用普通PN结的二极管代换。肖特基二极管和普通的PN结二极管不同，它不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，

3300 V高性能混合SiC模块研制

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。

耐250°C高温的1200V-5A 4H-SiC JBS二极管

采用碳化硅外延和器件工艺制造了碳化硅结势垒肖特基(JBS)二极管,耐压达到1200V,封装的器件电流室温达到5A(正向压降2.1V)。通过在不同工作温度下对比测试显示了直流特性随工作温度的变化情况,并验证至少在250°C下依旧能正常工作。研制的1 200 V碳化硅JBS二极管和IXYS公司的600V硅快恢复二极管(Fastrecovery diode)进行了对比:室温动态开关测试中,碳化硅二极管的反向恢复能耗比硅二极管节省92%。这是国内首次报道的250°C高温下正常工作的碳化硅JBS二极管。