宽禁带半导体电力电子器件

中国科学院微电子研究所宽禁带半导体电力电子器件研究主要内容一、国内外发展现状与趋势二、研究内容、拟解决的技术难点和创新点三、研究目标、技术指标四、研究方法、技术路线和可行性分析五、年度进展安排宽禁带半导体材料优越的物理化学特性表1几种SiC多型体及其它常见半导体材料的性能比较特征SiGaAs3C-SiC4H-SiC6H-SiCGaN禁带宽度(eV)1.121.432.43.263.03.4相对介电常数11.812.59.72109.669.5热导率(W/K·cm)1.50.543.23.74.91.3击穿电场(106V/cm)0.30.42.122.22.52.0电子迁移率(cm2/s·V)1500880080010004001000空穴迁移率(cm2/s·V)42540040115100200最大电子饱和速度(107cm/s)0.91.32.2222.5一、国内外发展现状与趋势器件产生的损耗减少(导通电阻减至数分之一)可高频工作可在高温下工作★热导率约为Si的3倍★绝缘耐压约为Si的7~10倍★电子饱和速度约为Si的2倍以上★带隙约为Si的3倍★熔点约为Si的2倍周边部件尺寸减小冷却装置尺寸减小或省去电力系统的精简电力系统中电力损耗的减少效果与Si器件的优点SiC功率器件与Si器件相比的优点一、国内外发展现状与趋势表2不同结构的SiC电力电子器件的特点及研究现状器件结构特点实验室研究最高水平及商业化状况SiC整流器肖特基器件（SBD）开关速度快•2003年，美国Rutgers大学报道了阻断电压超过10kV的4H-SiC的肖特基器件，比导通电阻为97.5mΩ·cm2。•已商业化。PIN器件耐压高于肖特基器件，开关速度低于肖特基器件•2001年，利用结终端延伸技术，日本报道了耐压至19.5kV的4H-SiC的台面型pin二极管。结势垒肖特基器件（JBS）结合了pn结和肖特基结构的优点，耐压和开关速度介于两者之间•2007年美国的Cree公司研制了SiC10kV/20A的结势垒肖特基二极管。•已有商业化样品。SiC单极型开关MOSFET高速的开关性能、低导通电阻•2004年，美国的Cree公司报道阻断电压高达10kV，比导通电阻为123mΩ·cm2的4H-SiCDMOSFET。•已有1200V/10、20A的商业样品。JFET高速的开关性能•2004年，美国Rutgers大学报道击穿电压为11kV、比导通电阻为130mΩ·cm2的SiC-JFET器件。•已有1200V和1800V、15A～30A的商业样品。SiC双极型开关BJT开关速度与MOSFET相当，驱动电路较MOSFET器件复杂•2004年，美国Rutgers大学报道击穿电压为9.2kV，比导通电阻为33mΩ·cm2的的SiCBJT器件。•已有1200V/6、20A的商业样品。IGBT适合于中高压等级•2007年，Purdu大学研制了阻断电压高达20kV的SiCP-IGBT。一、国内外发展现状与趋势电力电子器件的发展趋势：一、国内外发展现状与趋势更大导通电流容量、更高阻断电压及更高功率容量；低通态电阻和低通态压降；更快的开关速度和更高的工作频率等方向发展。3研究内容二、研究内容、拟解决的技术难点SiC电力电子器件的主要研究内容：（1）SiC电力电子器件的器件物理研究。包括SiC高压二极管及SiC-MOSFET晶体管的材料结构设计，器件的耐压解析模型的建立，场板、场限环及结终端延伸等终端保护技术在器件上的应用与设计，完善宽禁带SiC功率器件结构优化设计理论等。（2）SiC电力电子器件制备的关键技术研究。包括SiC材料的欧姆接触、肖特基接触的研究，SiC离子注入及退火技术研究，SiC表面处理及高性能的氧化层制备技术研究，SiC材料的低损伤刻蚀技术研究，及其各关键工艺技术的整合等内容。（3）器件的可靠性及失效机理研究。包括SiC电力电子器件反向漏电流机理研究，高温下SiC材料的欧姆接触、肖特基接触、SiO2/SiC界面态、SiC器件的导通、击穿和开关速度等特性的可靠性研究等。3研究内容二、研究内容、拟解决的技术难点（1）器件的合理化设计。（2）SiC的热氧化技术。可靠性及失效机理研究。SiC材料的欧姆接触，SiO2/SiC界面态，器件的导通、击穿和开关速度等特性的可靠性研究。②SiC离子注入以及掺杂离子激活在碳化硅器件研究中，掺杂注入要求在高温注入之后高温退火激活注入离子。对于离子注入的最大深度、最高浓度分布状态以及标准偏差分布进行计算，在研究中采用相应的注入能量、剂量，得到所需要的注入离子分布状态。与硅材料中掺杂离子基本处于激活态不同，碳化硅材料中的掺杂离子一般条件下只有部分处于激活状态，并且其激活的比率与多种因素直接相关。在碳化硅材料中的注入离子激活能比较高，对于同一种离子，随着注入离子浓度、注入能量的不同，离子在不同条件下激活之后可能产生不同的的深能级，形成不同导电类型的掺杂。因此，离子注入掺杂激活机理的研究对于实现设计的掺杂目的是必不可少的。拟解决的技术难点：三、研究目标、技术指标SiC功率二极管，器件的阻断电压大于4500V，最高正向导通电流不小于100A，开关频率不少于100kHz；SiC功率开关最高正向阻断能力不低于4500V，最高正向导通电流不少于50A，开关频率不少于100kHz；器件经过高温（200）反偏、温度循环、功率循环、温度和湿度试验。研究目标：SiC功率整流器和功率开关的研制技术指标：技术路线：四、研究方法、技术路线和可行性分析器件的研制离子注入退火技术热氧化技术欧姆接触肖特基接触…器件的性能测试及分析高性能器件器件的结构设计外延材料生长器件结构调整工艺分析和改进（1）SiC器件物理和器件结构设计研究方案。建立SiC材料合理的参数模型，包括载流子统计模型、迁移率模型、复合率模型、碰撞电离模型和隧道效应模型。对SiC肖特基结势垒二极管中的p利用仿真模拟软件对SiC高压二极管器件的能带图、电场分布等特性进行仿真计算，分析器件中载流子输运机理，研究器件结构及场板、场环和结终端延伸等不同终端保护技术对器件击穿特性的影响机理，从而设计和优化器件结构，获得合理化器件结构。对于IGBT器件，影响器件的阻断电压的主要因素，包括漂移层的厚度和载流子浓度；影响器件通态压降的因素，包括反型层沟道的迁移率、pnp晶体管的注入效率以及p型发射极的欧姆接触电阻等；影响器件的开关速度的因素，包括基区的少子寿命，厚度和掺杂浓度等。在此基础上，利用数学计算工具、仿真模拟软件等对SiCIGBT器件结构参数，包括阻挡层的厚度及掺杂浓度、漂移层的厚度及掺杂浓度、沟道长度、发射区掺杂及深度、基区掺杂及深度等器件结构参数和SiC的材料参数，包括载流子寿命、界面态密度等，对IGBT器件内部的能带图、电场分布，器件的转移特性、输出特性、击穿电压等静态特性，开关速度等动态特性，进行模拟仿真，分析器件器件结构参数和材料参数对器件性能的影响机理；合理解决器件通态压降与耐压、开关速度的折中关系。四、研究方法、技术路线和可行性分析研究方法：（2）SiC器件制备关键技术研究方案。SiC的欧姆接触的研究，通过快速热退火技术、传输线模型技术、变温I-V测试等技术，研究Ni、NiSi等金属在n型SiC材料上的欧姆接触、研究Ti、Ni、Pt、SiAl等金属在p型SiC材料的欧姆接触特性及其形成机理的研究；利用Trim软件模拟P、N、Al等离子注入在SiC中能量、深度、偏差和杂质浓度分布，改变离子注入后杂质激活退火的温度、时间、氛围、密封剂等工艺条件，研究离子注入形成欧姆接触高掺杂区及终端保护技术的制备研究；利用变温的I-V和C-V特性对Pd、Ni、Pt等金属与SiC材料肖特基接触进行研究，分析界面态对肖特基势垒高度的影响，分析器件的反向漏电机理；通过改变刻蚀气体的功率、流量配比等参数对SiC材料的刻蚀技术研究等。四、研究方法、技术路线和可行性分析研究方法：（2）SiC器件制备关键技术研究方案。利用变温I-V特性测试、表面成分分析测试等手段研究SiC欧姆接触的高温可靠性，分析欧姆接触的对器件失效机理的影响。通过变温I-V特性和变温C-V特性的测量，研究SiC材料和界面态对器件的失效机理等影响。通过仿真模拟软件研究不同温度对器件的静态和动态特性，和闩锁效应的影响。对器件的可靠性进行评估、对失效机理进行分析。四、研究方法、技术路线和可行性分析研究方法：四研究基础1.在SiC器件的工艺方面的研究已进行SiC材料的刻蚀、减薄工艺，器件的设计与制备等方面的研究。中国科学院微电子研究所研究基础：•不同Ni、Ti、Pt金属体系的肖特基接触；•表面处理、肖特基金属退火等技术对肖特基势垒的影响研究；•关于肖特基接触可靠性的高温存储研究；•肖特基二极管反向泄漏电流的形成机理研究等。-20-15-10-50510-1010-910-810-710-610-510-410-310-2-20-15-10-5050.00000.00020.00040.00060.00080.0010Current(A)Voltage(V)Current(A)Voltage(V)肖特基二极管I-V特性谢谢！四研究基础中国科学院微电子研究所研究基础：开展了SiC材料ICP刻蚀参数优化、刻蚀掩模的确定及其选择比优化等刻蚀技术的研究。1.在SiC器件的工艺方面的研究已进行SiC材料的刻蚀、减薄工艺，器件的设计与制备等方面的研究。主要内容一、国内外发展现状与趋势二、研究内容、拟解决的技术难点和创新点三、研究目标、技术指标四、研究方法、技术路线和可行性分析五、年度进展安排•对于IGBT器件，影响器件的阻断电压的主要因素，包括漂移层的厚度和载流子浓度；影响器件通态压降的因素，包括反型层沟道的迁移率、pnp晶体管的注入效率以及p型发射极的欧姆接触电阻等；影响器件的开关速度的因素，包括基区的少子寿命，厚度和掺杂浓度等。在此基础上，利用数学计算工具、仿真模拟软件等对SiCIGBT器件结构参数，包括阻挡层的厚度及掺杂浓度、漂移层的厚度及掺杂浓度、沟道长度、发射区掺杂及深度、基区掺杂及深度等器件结构参数和SiC的材料参数，包括载流子寿命、界面态密度等，对IGBT器件内部的能带图、电场分布，器件的转移特性、输出特性、击穿电压等静态特性，开关速度等动态特性，进行模拟仿真，分析器件器件结构参数和材料参数对器件性能的影响机理；合理解决器件通态压降与耐压、开关速度的折中关系。•研究场限环、结终端延伸等终端保护技术对器件击穿特性的影响，包括场限环间距、宽度、掺杂浓度、结深度等因素，以及结终端延伸的长度、深度、浓度等因素对器件内部电场分布的影响，获得合理的结终端保护结构计，从而优化器件结构。