真空慢退火工艺对4H-SiC核辐射探测器性能的影响

制备了一种肖特基二极管结构的4H-SiC辐射探测器.在真空环境下,用不同的温度对欧姆电极进行慢退火处理,达到良好的欧姆接触.对其反向I-V特性和能量分辨率进行测试对比,欧姆电极在800℃条件下性能最好,在全耗尽状态下能量分辨率为1.36%,耐压测试运行稳定, 200 V偏压下漏电流仅有463 pA.与其他退火温度相比,该工艺下的4H-SiC探测器运行稳定,具有漏电流低、能量分辨率高的优势.

基于4H-SiC APD单光子探测的主动淬灭电路研究

为了对比不同类型淬灭电路对4H-SiC雪崩光电二极管(APD)探测性能的影响,采用被动淬灭电路(PQC)和主动淬灭电路(AQC),对两种类型SiC紫外APD进行了单光子探测实验,发现在PQC较长死区时间内,会频发后脉冲现象,导致APD的暗计数率(DCR)较高,从而降低器件的信噪比;对APD后脉冲概率的时间分布进行了研究,并进一步对AQC在更高器件过偏压下单光子探测中出现的问题进行了分析,提出了电路改进方案。结果表明,通过将AQC死区时间调整至45 ns,在相同单光子探测效率下,可将器件DCR减少至原先水平的1/4;通过有效抑制后脉冲和加快APD恢复速度,AQC可使器件展现出更加优越的探测性能。此研究为SiC APD在单光子探测中的应用提供了一定的参考。

单轴应变对本征和N掺杂4H-SiC电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了单轴应变对本征和N掺杂4H-SiC电子结构的影响.研究表明应变可以有效调控本征和N掺杂4H-SiC的带隙,在拉应变作用下,带隙单调减小;而在压应变作用下,带隙先增大后减小,当压应变为-1%时,带隙达到最大值.对态密度的分析可知本征和N掺杂4H-SiC的价带顶主要来自Si 3p和C 2p态电子,导带底主要来自Si 3p态电子,C 2p态和Si 3p态通过影响价带顶和导带底从而导致应变结构中带隙发生变化.通过Mulliken布局和差分电荷密度分析可知,随着晶格常数的增加Si原子向C原子和N原子转移的电荷减少,同时Si-C原子和Si-N原子之间的共价性减弱.

电子辐照对4H-SiC MOS材料缺陷的影响

4H-SiC金属氧化物半导体(MOS)基器件在电子辐照环境下应用时可能产生新的材料缺陷,导致其电学性能发生退化。本文选取结构最简单的MOS基器件(4H-SiC MOS电容器)为对象,研究了一系列电子辐照剂量下材料缺陷的演变情况。在10 MeV电子束下对MOS样品进行30、50、100、500、1 000 kGy剂量的辐照,对辐照前、后样品进行深能级瞬态谱测试(DLTS)和电容-电压(C-V)曲线表征。DLTS实验结果表明,低剂量电子辐照前、后4H-SiC/SiO_(2)界面及近界面处的缺陷没有发生明显变化,而高剂量辐照导致双碳间隙原子缺陷的构型发生了改变,演变后的构型能级位置更深,化学结构更加稳定。C-V曲线测试结果发现,不同电子辐照剂量导致MOS电容器平带电压发生不同程度的负向漂移,这很可能是SiO_(2)氧化层中氧空位数量和4H-SiC/SiO_(2)界面及近界面处缺陷数量共同影响的结果。本文研究结果对研发和优化抗电子辐照的4H-SiC MOS制备工艺具有一定的参考价值。

基于4H-SiC的开槽四梁式压阻式加速度计设计及仿真研究

基于4H-SiC设计了一种开槽四梁式的压阻式加速度计,通过分析开槽位置、开槽大小对传感器灵敏度及固有频率的影响确定了开槽的相关参数,并对该结构采用有限元方法进行了热-力耦合仿真,确定了该结构在不同温度场下施加不同载荷时的理论电压输出。研究结果表明:该结构相较于传统双端四梁结构输出灵敏度提升51.4%,固有频率仅下降14.2%,在ANSYS 600℃的稳态温度场环境下,传感器输入载荷与输出电压成线性关系,理论满量程输出为39.71 mV。

一种改进型4H-SiC超结UMOS器件

介绍了1种改进型4H-SiC超结UMOS器件。该结构引入上下掺杂浓度不同的P柱并采用底部厚氧化层。P柱可以与N漂移层形成超结结构,从而在保持高击穿电压的同时减小比导通电阻,底部厚栅氧化层可以减小栅漏电容。结合实际的MOSFET工艺,通过SRIM仿真给出了离子注入条件,并通过TCAD软件对器件结构参数进行优化仿真,得到了击穿电压为1035 V、比导通电阻为0.886 mΩ·cm^(2)的超结UMOS器件。

基于4H-SiC的低横向灵敏度压阻式加速度计设计仿真研究

文中基于4H-SiC设计了一种开槽式低横向灵敏度压阻式加速度计,通过分析支撑梁位置及开槽尺寸对加速度计性能的影响确定了相关结构参数,并对该结构采用有限元方法进行了热-力耦合仿真,确定了该结构在600℃温度场中施加不同载荷时的理论电压输出。研究结果表明:该结构相较于已有的双端四梁结构X轴方向的横向灵敏度由3.3%降至2.6%,Y轴方向横向灵敏度由29.9%降至1.5%,传感器芯片在600℃高温环境下输入载荷与输出电压呈线性关系,100 g载荷下的理论输出电压为3.65 mV。

具有沟槽氧化物和P-屏蔽层的4H-SiC MPS的设计与仿真

利用TCAD仿真研究了一种具有沟槽氧化物和P-屏蔽层结构的新型4H-SiC TP-MPS二极管。通过在传统MPS中引入沟槽氧化物和P-屏蔽层,能够有效地抑制器件的迅回效应和改善其反向恢复特性。分别仿真了漂移区掺杂浓度、P-区深度及SiO2厚度等关键参数对迅回效应和反向恢复特性的影响。研究结果表明:增加金属功函数、P-区厚度和SiO2厚度,以及减小漂移区掺杂浓度,均可以有效抑制MPS二极管的迅回效应;而增加SiO2厚度、减小P-区厚度和漂移区掺杂浓度均可以改善其反向恢复特性。对比传统MPS结构,TP-MPS结构在SiO2厚度为2.5μm、P-区厚度为2μm、漂移区掺杂浓度为4×10^(15)cm^(-3)的条件下,转折电压降低了34.8%,反向恢复峰值电流降低了23.5%,反向恢复软度因子增加了80%。TP-MPS二极管对迅回效应有明显抑制作用,并且其反向恢复特性得到改善。

KCl溶液结晶辅助表征4H-SiC衬底中的微划痕

4H-SiC晶圆表面的微划痕会使外延层中产生大量缺陷,但其线宽低于光学表征技术的极限,无法以无损光学检测的方法获得微划痕在晶圆上的分布规律。本研究基于经典成核理论,利用微划痕上的高指数晶面,通过溶液干燥析晶的方法,使KCl晶体优先成核于高表面能的高指数晶面。实验结果表明:当KCl溶液的浓度为0.013 mol/L时,溶液蒸发后的KCl晶体嵌于微划痕的沟壑内,使微划痕可以间接地被光学方法检测。当KCl溶液的浓度大于0.013 mol/L时,KCl晶体会结晶于没有微划痕的区域,干扰对微划痕的表征。本方法制备的KCl晶体仅吸附成核于4H-SiC表面,不与4H-SiC发生化学反应,通过RCA清洗工艺即可完全去除表面的KCl晶体,不影响晶圆的后续加工工艺。

Li掺杂对4H-SiC光电性质影响的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了Li掺杂4H-SiC体系的电子结构及光学性质.结果表明,掺杂前后的4H-SiC均为间接带隙半导体,Li原子间隙掺杂后形成n型半导体,Li原子替位式掺杂体系的禁带中出现了杂质能级,降低了电子跃迁时所需的能量;对电荷差分密度图的分析表明,Li原子失去电子,导致Li-C键和Li-Si键的共价性降低,以离子性为主;在可见光区域,相比于4H-SiC体系,掺杂体系的吸收率峰值均有所提高,其中Li间隙掺杂体系吸收带边最小,吸收率峰值最大,掺杂后的4H-SiC体系对红外、可见光、紫外均能够有所吸收,说明Li掺杂能够有效拓宽4H-SiC对光的响应范围.

4H-SiC晶片热导率的激光拉曼光谱研究

在本研究中,使用激光激发的激光拉曼光谱研究了4H-SiC晶片从低温(80 K)到室温(290 K)的热导率。在整个测量过程中,激光既作为拉曼光谱的激发源又作为热源,通过激光加热提高了晶片表面的局部温度。同样,拉曼峰的位置会随着晶片温度的升高而向高频侧偏移,通过分析拉曼光谱位置的偏移和局部温度升高的关系得到了4H-SiC晶片的热导率。结果表明,4H-SiC晶片的热导率在低温情况下随温度升高而升高,此时K∝T 3,当热导率的值达到最大后随着温度的升高而降低,此时K∝T-1,这归因于声子-声子间相互作用和声子缺陷散射的作用。

基于4H-SiC探测器多球谱仪的聚变中子能谱测量研究

Bonner多球谱仪作为主要用于测量中子能谱和剂量的仪器,对于聚变装置的辐射监测与防护具有重要意义。为了研究超导托卡马克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)在中性束注入(Neutral Beam Injector,NBI)加热实验条件下的中子能谱和剂量当量,研制了一套由涂有6LiF的4H-SiC半导体探测器和8个慢化球组成的Bonner中子多球谱仪,在相应放电实验中进行了实验测量。通过与EAST上中子注量监测结果进行源强归一化处理,并结合模拟计算获得的每个慢化球中子响应函数,利用最大熵程序解算出大厅内部中子能谱分布。进一步通过中子注量-剂量转化系数获得中子剂量当量,并与蒙特卡罗方法模拟计算的主机大厅内相应位置的中子能谱和剂量当量进行比较,归一化聚变中子源项下测量位置的中子注量与模拟值的比值为0.98;归一化聚变中子源项下测量位置的周围剂量当量与模拟值的比值为1.05。对比结果验证了该多球谱仪在EAST装置上初步应用的可靠性。

1000V 4H-SiC VDMOS结构设计与特性研究

设计并优化了一种基于4H-SiC的1000V垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(VDMOS),在留有50%的裕度后,通过Silvaco仿真软件详细研究了器件各项参数与耐压特性之间的关系。经优化,器件的阈值电压为2.3V,击穿电压达1525V,相较于相同耐压条件下的Si基VDMOS,4H-SiC VDMOS的击穿电压提升了12%。此外,击穿时4H-SiC VDMOS表面电场分布相对均匀,最大值为3.4×10^(6)V/cm。终端有效长度为15μm,约为Si基VDMOS的6%,总体面积减小了近1/10。并且4H-SiC VDMOS结构简单,与相同耐压条件下的Si基VDMOS相比,未增加额外的工艺步骤,易于实现。

4H-SiC光导开关性能的仿真研究

碳化硅光导开关是相关领域的研究热点,但是文献中对4H-SiC光导开关的理论研究仍然以集总元件模型为主,仅能给出定性结果,典型文献中瞬态条件下的实验数据还没有定量的理论解释。文章使用SilvacoTCAD软件中的器件-电路混合模式,结合自编的载流子迁移率接口程序,对4H-SiC光导开关的光学电学特性进行模拟仿真。单脉冲响应的仿真结果表明,器件在瞬态条件下的峰值光电流随光能的变化与文献中的实验数据相符合,表明所用模型和参数具有合理性。对影响单脉冲响应的主要因素,包括脉冲能量、脉冲宽度、碳化硅厚度,进行了计算和分析。同时,针对两种碳化硅厚度的器件,进行了多脉冲串响应的计算和分析。文章得到的结果和结论对碳化硅光导开关的进一步研究具有较好的参考价值。

基于国产单晶衬底的150 mm 4H-SiC同质外延技术进展

高阻断电压、大功率密度、高转化效率是电力电子器件技术持续追求的目标,基于4H-SiC优异的材料特性,在电力电子器件应用方面具有广阔的发展前景。围绕SiC MOSFET器件对外延材料的需求,介绍了国内外主流的SiC外延设备及国产SiC衬底的发展,并重点介绍了宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室在国产150 mm(6英寸)SiC衬底上的高速外延技术进展。通过关键技术攻关,实现了150 mm SiC外延材料表面缺陷密度≤0.5 cm-2,BPD缺陷密度≤0.1 cm-2,片内掺杂浓度不均匀性≤5%,片内厚度不均匀性≤1%。基于自主外延材料,实现了650~1200 V SiC MOSFET产品商业化以及6.5~15 kV高压SiC MOSFET器件的产品定型。

4H-SiC SP-MPS二极管迅回效应的仿真研究

为了抑制4H-SiC MPS二极管的迅回效应,在传统结构的肖特基结下方引入P-轻掺杂区形成SP-MPS结构。给出简化电阻模型和等效电路图分析MPS二极管的正向导通特性,仿真了肖特基区宽度、P+区结深及P-区深度等关键参数对迅回效应的影响。研究结果表明,减小肖特基区宽度、增加P+区结深均可有效抑制迅回效应。SPMPS结构通过添加P-轻掺杂区来调整肖特基势垒高度进而控制转折电压的大小,增加P-区深度对迅回效应具有抑制作用,但与P-区掺杂浓度基本无关。对比传统MPS结构,在P-区深度为0.25μm、掺杂浓度为1×10^(17)cm^(-3)的条件下,SP-MPS结构的肖特基势垒高度增加了35.7%,转折电压降低了73.2%,明显改善迅回效应对MPS二极管正向特性的影响。

具有异质结体二极管和N包围型P柱的4H-SiC超结MOSFET

利用TCAD仿真研究了一种具有异质结体二极管与N包围型P柱超结的4H-SiC UMOSFET(SJH-MOSFET)。通过在SJH-MOSFET中引入异质结和具有电荷平衡的超结结构,能够有效地优化器件的击穿电压、比导通电阻、反向恢复特性。研究结果表明,薄轻掺杂的电流扩展层(CSL)和N型包围使得耗尽区变窄,并为电流的流动提供了两个扩散路径,其中CSL使得电子快速地水平扩散,而N型包围允许电子可以垂直地流动,改进后结构的耐压提升了13.6%,栅槽底部高电场降低了10.5%,比导通电阻降低了10.5%,开启时间降低了38.4%,关断时间降低了44.7%;体区嵌入P+多晶硅与漂移区接触形成异质结体二极管,由于异质结特殊的能带结构,使得体二极管在导通时,P+多晶硅里空穴较少地流入到漂移区,使反向恢复电荷降低了42.96%,反向恢复时间降低了4.17%。

基于聚氨酯垫的4H-SiC单晶衬底研磨性质研究

4H-SiC单晶是典型的难加工材料,研磨加工后表面损伤的密度和深度直接影响后续抛光工序的质量和效率。采用普通铸铁盘研磨工艺会导致晶圆表面划痕多、边缘破片以及去除率不稳定等问题。本实验采用聚氨酯垫研磨工艺,减少研磨划痕,提高了研磨后的表面质量,实现了SiC衬底的精准研磨。通过改变金刚石磨料粒度、磨抛盘转速、研磨压强进行SiC衬底的研磨实验,探究最优工艺参数及各条件对研磨效果的影响规律。实验结果表明:随着研磨盘速度增大,研磨的去除率增大,其对应的粗糙度先降低后升高;增大金刚石磨料的粒径会增大研磨的去除率,但研磨后表面粗糙度也会持续增大;通过增加研磨压强,材料的去除率和表面粗糙度都将增加,但去除率增加的速率由快变慢,而粗糙度增加的速率逐渐加快。综合考虑,采用聚氨酯垫研磨时,较优研磨工艺参数为:金刚石研磨液浓度为3%,金刚石粒径为1μm,研磨液供给速度为5 mL/min,研磨压强为47 kPa,研磨转速35 r/min。该工艺下SiC材料的去除率为0.7μm/h,研磨后SiC衬底的表面粗糙度为24 nm。

4H-SiC p-n结基于精确碰撞电离模型的雪崩倍增因子研究

雪崩倍增效应是4H-SiC雪崩光电二极管、功率半导体器件等器件的关键机理。作为其中最重要的物理参数,雪崩倍增因子(M)的精确解析表达式目前未见报道。文章提出4H-SiC p-n结M的精确计算方法及其解析表达式。基于更准确的碰撞电离模型,通过MATLAB对4H-SiC单边突变结(p^(+)-n)电子和空穴的碰撞电离积分(I)进行精确的数值计算,给出击穿电压(BV)随掺杂浓度的经验表达式,进一步提出电离积分随外加电压及掺杂浓度的拟合表达式。此外,对外加电压接近BV的情形进行细致的相对误差分析,表明电子电离积分受电场影响显著。对于雪崩光电二极管及功率器件较宽的BV范围,所提出的拟合表达式在外加反向偏压大于0.65BV时具有较高的精确度(相对误差小于5%)。

基于MOCVD的4H-SiC同质外延缺陷控制方法分析

阐述4H-SiC同质外延生长过程中出现的三角形缺陷。基于三角形缺陷的成核原理,对外延层结构和生长参数进行改进,从而在4H-SiC衬底与外延之间横向生长一层高质量的缓冲层。