4H-SiC SBD和JBS退火研究

在4H-SiC外延材料上制备了SBD和JBS器件,研究并分析了退火温度对这两种器件正反向特性的影响。结果表明,低于350℃退火可同时提高SBD和JBS的正反向特性。当退火温度高于350℃时,二者的正向特性都出现退化,SBD退化较JBS更为严重。JBS阻断电压随退火温度升高而增大,在退火温度高于450℃时增加趋势变缓。SBD阻断电压随退火温度升高先升后降,在500℃退火时达到一个最大值。可见一定程度的退火有助于提高4H-SiCSBD和JBS器件的正反向特性,但须考虑其对正反向特性的不同影响。综合而言,退火优化后JBS优于SBD器件性能。

SiC SBD与MOSFET温度传感器的特性

对SiC肖特基势垒二极管(SBD)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)温度传感器进行了理论分析与测试。基于器件的工作原理,分析了影响传感器灵敏度的因素,SiC SBD温度传感器的灵敏度主要受理想因子的影响,而SiC MOSFET温度传感器的灵敏度主要受栅氧化层厚度等因素的影响。仿真结果表明,SiC MOSFET温度传感器的灵敏度随偏置电流下降或者栅氧化层厚度增加而上升。实测结果表明,两种传感器的最高工作温度均超过400℃,其中SiC SBD温度传感器在较宽的温度范围实现了更好的线性度,而SiC MOSFET温度传感器的灵敏度更高。研究结果表明,SiC MOSFET作为高温温度传感器具有灵敏度高和设计灵活度高等方面的显著优势。

SiC SBD基温度传感器灵敏度影响因素的研究

SiC基温度传感器由于可以实现比Si基温度传感器高得多的工作温度而备受重视。从理论和实验两方面研究影响SiC SBD基温度传感器灵敏度的因素。基于热电子发射理论的解析模型表明影响温度传感器灵敏度的因素主要是理想因子。采用Spice仿真不同偏置电流下SiC SBD的V-T关系,结果表明灵敏度随着正向电流的减小而增大并且线性度良好。采用10 mA的恒流源偏置电路测试了三个厂商的SiC SBD的V-T特性,结果发现三种SiC SBD测温上限均高于400℃,并且线性度较好,灵敏度均接近1.5 m V/℃。最后对提高SiC SBD基温度传感器的灵敏度提出了优化设计方案。

1700V SiC SBD器件的研制

介绍了1 700 V SiC SBD器件的结构设计、制造工艺、静态特性测试及可靠性摸底试验。通过模拟仿真得到了最佳的漂移区结构和器件结构;针对器件制造工艺中的钝化和金属化两项关键工艺进行原理分析和优化;对器件进行了正向和反向静态参数测试,表明器件耐压水平超过1 700 V,正向电流密度为118 A/cm^2;最后对器件进行了可靠性摸底试验,结果显示20只器件均通过了100个循环的温度冲击试验及168 h的高温反偏试验。

具有部分超结的新型SiC SBD特性分析

提出了一种具有部分超结(super junction,SJ)结构的新型SiC肖特基二极管,命名为SiC Semi-SJ-SBD结构,通过将常规SBD耐压区分为常规耐压区和超结耐压区来减小导通电阻,改善正向特性.利用二维器件模拟软件MEDICI仿真分析,研究了不同超结深度和厚度时击穿电压(VB)和比导通电阻(Ron-sp),与常规结构的SBD比较得出,半超结结构可以明显改善SiC肖特基二极管特性,并得到优化的设计方案,选择超结宽度2W为2μm,3μm,超结深度大于5μm,可以使Ron-sp降低量大于10%,而且保持VB基本不变(降低量小于4%).

600 V-30 A 4H-SiC肖特基二极管作为IGBT续流二极管的研究

采用碳化硅外延和器件工艺制造了碳化硅肖特基(SBD)二极管,耐压超过600 V。正向压降为1.6 V时,器件电流达到30A。作为IGBT续流二极管,600 V碳化硅肖特基二极管和国际整流器公司的600 V超快恢复二极管(Ultra fast diode)进行了对比:125℃IGBT模块动态开关测试中,碳化硅二极管的反向恢复能耗比硅二极管节省90%,相应的IGBT开通能耗节省30%。另外反向恢复中过电压从40%降为10%,这是由于碳化硅的软度高,提高了模块的可靠性。

MISiC氢敏传感器物理模型及特性模拟

分析了金属 绝缘体 SiC(MISiC)肖特基势垒二极管 (SBD)气体传感器的响应机理 ,将SBD热电子发射理论和氢吸附 解吸理论相结合 ,通过考虑势垒高度调制效应以及理想因子随外界条件的变化 ,建立了MISiCSBD气体传感器物理模型 ,模拟结果与实验十分吻合。采用此模型 ,分析了器件特性与绝缘层厚度的关系 ,并在灵敏度、可靠性和工作电流 /电流分辨率诸因素之间其进行了优化设计 ,对于 30 0℃左右的高温应用 ,确定出最佳绝缘层厚度为2～ 2 .3nm。

N_2O氧化制备MISiC氢传感器的响应特性分析

采用N2 O氮化氧化技术制备氮化氧化物作为绝缘层制备金属 -绝缘体 -SiC(MISiC)肖特基势垒二极管(SBD)气体传感器的技术 ,对传感器的响应特性进行了研究。实验结果表明 ,N2 O工艺能明显改善栅绝缘层和衬底之间的界面特性从而提高传感器的性能 ,可在高温 (如 30 0℃ )等恶劣环境下长期可靠的工作 ,且适当增加绝缘层厚度有助于传感器灵敏度和可靠性的改进。

SiC肖特基势垒二极管的反向特性

在n型4H-SiC衬底上的n型同质外延层的Si面制备了纵向肖特基势垒二极管(SBD),研究了场板、场限环及其复合结构等不同终端截止结构对于反向阻断电压与反向泄漏电流的影响。场板(FP)结构有利于提高反向阻断电压,减小反向泄漏电流。当场板长度从5μm变化到25μm,反向阻断电压随着场板长度的增加而增加。SiO2厚度对于反向阻断电压有重要的影响,当厚度为0.5μm,即大约为外延层厚度的1/20时,可以得到较大的反向阻断电压。当场限环的离子注入区域宽度从10μm变化到70μm,反向阻断电压也随之增加。FLR和FP复合结构对于改善反向阻断电压以及反向泄漏电流都有作用,同时反向阻断电压对于场板长度不再敏感。采用复合结构,在10μA反向泄漏电流下最高阻断电压达到1 300V。讨论了离子注入剂量对于反向阻断电压的影响,注入离子剂量和反向电压的关系表明SBD结构不同于传统PIN结构的要求。当采用大约为150%理想剂量的注入剂量时才可达到最高的反向阻断电压而不是其他报道的75%理想剂量,此时的注入剂量远高于PIN结构器件所需的注入剂量。

新颖的氧化生长绝缘层的MISiC传感器特性研究

采用新颖的NO和O2+CHCCl3(TCE)氧化技术制备金属-绝缘-体SiC(MISiC)肖特基势垒二极管(SBD)气体传感器的栅绝缘层,研究了传感器的响应特性。结果表明,传感器可快速的检测低浓度的氢气,NO氮化氧化改善了绝缘层的界面,TCE工艺降低了界面态密度和氧化层的有效电荷密度,并同时提取重金属以提高传感器的性能,使其可在高温(如300℃)等恶劣环境下长期可靠的工作,研究还发现:适当增加绝缘层厚度有助于传感器灵敏度和可靠性的改进。

基于结终端扩展的4H-SiC肖特基势垒二极管研制

采用高真空电子束热蒸发金属Ni分别作肖特基接触和欧姆接触,离子注入形成结终端扩展表面保护,研制出Ni/4H-SiC肖特基势垒二极管(SBD)。I-V特性测量说明,Ni/4H-SiCSBD有较好的整流特性,热电子发射是其主要的运输机理。实验测量其反向击穿电压达1800V,且反向恢复特性为32ns。

SiC新一代电力电子器件的进展

以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料的突破给发展新一代电力电子带来希望。SiC材料具有比Si材料更高的击穿场强、更高的载流子饱和速度和更高的热导率,使SiC电力电子器件比Si的同类器件具有关断电压高、导通电阻小、开关频率高、效率高和高温性能好的特点。SiC电力电子器件将成为兆瓦电子学和绿色能源发展的重要基础之一。综述了SiC新一代电力电子器件的发展历程、现状、关键技术突破和应用研究。所评估的器件包含SiC SBD、SiC pin二极管、SiC JBS二极管、SiC MOFET、SiC IGBT、SiC GTO晶闸管、SiC JFET和SiC BJT。器件的评估重点是外延材料的结构、器件结构优化、器件性能、可靠性和应用特点。最后总结了新世纪以来SiC新一代电力电子器件的技术进步的亮点并展望了其技术未来发展的趋势。

Ni/4H-SiC肖特基势垒二极管研制

采用微电子平面工艺,高真空电子束热蒸发金属Ni分别作肖特基接触和欧姆接触,二级场限环终端表面保护,研制出Ni/4H-SiC肖特基势垒二极管(SBD)。I-V特性测量说明,Ni/4H-SiCSBD有较好的整流特性,热电子发射是其主要的运输机理。反向击穿电压达1500V,理想因子为1.2,肖特基势垒高度为0.92eV。

采用降温曲线的SiC MOSFET模块热参数的测量

SiC作为新一代宽禁带半导体材料,凭借其优异的电热特性,正逐渐投入市场并取代Si器件,然而其在实际应用时仍然面临着由于热应力带来的可靠性问题。为此,该文提出利用SiC MOSFET模块中的反并联SiC SBD芯片的正向导通压降来获取其降温曲线,并根据降温曲线的拟合时间常数与模块热网络参数之间的关系,求解得到模块的RC Cauer热网络参数。该方法在简化功率测量的步骤与热稳态平衡的条件的同时,还可得到精确的热网络模型用于各方面研究。

4H-SiC双层浮结肖特基势垒二极管温度特性研究

为了增强器件高温条件下的适应性,对4H-SiC双层浮结肖特基势垒功率二极管的温度特性进行了研究。结果表明,当温度变化时,器件的阻断电压、通态电阻、反向漏电流及开关时间等电学性质均要发生一定的变化。作为一种基于浮结技术的SiC新器件,通过数值模拟方法对其特征参数进行优化,可使其承载电流能力、阻断特性和开关速度等得到进一步的改善。

新型4H-SiC肖特基二极管的仿真与分析

设计了斜面结构碳化硅肖特基二极管(4H-SiC SBD)并且在器件中加入场环结构,通过基于半导体物理理论的计算机辅助设计软件(Silvaco-TCAD)分析计算了常规结构和新结构SiC-SBD器件的V-I特性、击穿电压、温度热学分布。对比计算结果,可知新结构SiC-SBD器件击穿电压提高至2300 V,导通电阻减小,温度热学分布明显优于常规结构SiC-SBD器件。

1700V/1600A高性能SiC混合IGBT功率模块的研制

设计并封装了一款1 700 V/1 600 A Si C混合IGBT功率模块,对模块进行了常规电学特性测试,并与全Si功率模块进行了比较。由于Si C肖特基二极管优异的反向恢复特性,使得模块的开关性能得到明显提升,有效降低了模块的能量损耗。通过优化模块结构及栅极串联电阻,进一步降低了模块的开关损耗,使Si C混合模块比全Si IGBT模块具有更加优越的性能。

JTE结构4H-SiC肖特基二极管的研究

借助半导体仿真软件Silvaco,仿真一种具有结终端扩展(JTE)结构的碳化硅(SiC)肖特基二极管(SBD)。其机理是通过JTE结构降低肖特基结边缘的电场集中效应,从而优化肖特基二极管的反向耐压能力。研究JTE区深度、宽度及掺杂浓度对碳化硅肖特基二极管的反向耐压的影响。通过优化结终端结构的结构参数使碳化硅肖特基二极管的反向耐压特性达到更好的性能要求。

100A/1200V Si/SiC混合模块对比研究(英文)

采取对比的方法将Si IGBT/Si FRD模块与Si IGBT/SiC SBD模块静态及动态特性进行了测量与分析。测试表明,将Si IGBT模块中Si FRD替换为SiC SBD后开关损耗减小明显,提升效率的同时可大大提高功率模块的工作频率,降低系统体积。为了解释Si IGBT/SiC SBD混合模块开通过程中电流电压振荡现象,本文对模块开通与关断过程中电流的流通路径进行了对比,用以解释产生开通振荡的原因。分析中发现,开通振荡主要来自于模块封装杂散电感与IGBT输出电容及SiC SBD结电容产生的LC谐振。SiC SBD由于结电容较大而导致开通振荡较为明显。因此,为了提高SiC器件系统的可靠性,需要找到一种低电感封装技术,满足SiC器件封装要求。

SiC功率器件研究与应用进展

综述了SiC材料、SiC二极管(SBD、JBS等)、SiC结型场效应晶体管(JFET)、SiC金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和SiC绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件的研究进展,以及SiC功率器件商品化应用情况。