寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件演示文稿

1、寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件演示文稿第一頁(yè)，共十八頁(yè)。優(yōu)選寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件第二頁(yè)，共十八頁(yè)。主要內(nèi)容一、 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)二、 研究?jī)?nèi)容、擬解決的技術(shù)難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)三、 研究目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)四、 研究方法、技術(shù)路線和可行性分析五、 年度進(jìn)展安排第三頁(yè)，共十八頁(yè)。寬禁帶半導(dǎo)體材料優(yōu)越的物理化學(xué)特性表 1 幾種SiC 多型體及其它常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的性能比較特征SiGaAs3C-SiC4H-SiC6H-SiCGaN禁帶寬度(eV)1.121.432.43.263.03.4相對(duì)介電常數(shù)11.812.59.72109.669.5熱導(dǎo)率(W/Kcm)1.50.543.23.74.91.3擊穿電場(chǎng)(106

2、 V/cm)0.30.42.122.22.52.0電子遷移率(cm2/sV)1500880080010004001000空穴遷移率(cm2/sV)42540040115100200最大電子飽和速度(107cm/s)0.91.32.2222.5一、 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)第四頁(yè)，共十八頁(yè)。器件產(chǎn)生的損耗減少(導(dǎo)通電阻減至數(shù)分之一) 可高頻工作 可在高溫下工作熱導(dǎo)率約為Si的3倍絕緣耐壓約為Si的710倍電子飽和速度約為Si的2倍以上帶隙約為Si的3倍熔點(diǎn)約為Si的2倍周邊部件尺寸減小冷卻裝置尺寸減小或省去電力系統(tǒng)的精簡(jiǎn)電力系統(tǒng)中電力損耗的減少 效果與Si器件的優(yōu)點(diǎn)SiC功率器件與Si器件相比的優(yōu)點(diǎn)

3、一、 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)第五頁(yè)，共十八頁(yè)。表2 不同結(jié)構(gòu)的SiC 電力電子器件的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀器件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究最高水平及商業(yè)化狀況SiC 整流器肖特基器件（SBD）開(kāi)關(guān)速度快2003年，美國(guó)Rutgers大學(xué)報(bào)道了阻斷電壓超過(guò)10kV的4H-SiC的肖特基器件，比導(dǎo)通電阻為97.5 mcm2。已商業(yè)化。PIN器件耐壓高于肖特基器件，開(kāi)關(guān)速度低于肖特基器件2001年，利用結(jié)終端延伸技術(shù)，日本報(bào)道了耐壓至 19.5kV 的 4H-SiC 的臺(tái)面型 pin 二極管。結(jié)勢(shì)壘肖特基器件（JBS）結(jié)合了pn結(jié)和肖特基結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，耐壓和開(kāi)關(guān)速度介于兩者之間2007年美國(guó)的Cree公司研制了SiC 1

4、0 kV /20 A的結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管。已有商業(yè)化樣品。SiC單極型開(kāi)關(guān)MOSFET高速的開(kāi)關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻2004 年，美國(guó)的Cree公司報(bào)道阻斷電壓高達(dá)10 kV，比導(dǎo)通電阻為123 mcm2的4H-SiC DMOSFET。已有1200V /10、20 A的商業(yè)樣品。JFET高速的開(kāi)關(guān)性能2004年，美國(guó)Rutgers大學(xué)報(bào)道擊穿電壓為11kV、比導(dǎo)通電阻為130mcm2的SiC-JFET器件。已有1200V和1800V、15A30A的商業(yè)樣品。SiC雙極型開(kāi)關(guān)BJT開(kāi)關(guān)速度與MOSFET相當(dāng)，驅(qū)動(dòng)電路較MOSFET器件復(fù)雜2004年，美國(guó)Rutgers大學(xué)報(bào)道擊穿電壓為9.2 kV，

5、比導(dǎo)通電阻為33mcm2的的SiC BJT器件。已有1200V/6、20A的商業(yè)樣品。IGBT適合于中高壓等級(jí) 2007年，Purdu大學(xué)研制了阻斷電壓高達(dá)20kV的SiC P-IGBT。一、 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)第六頁(yè)，共十八頁(yè)。電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)：一、 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 更大導(dǎo)通電流容量、更高阻斷電壓及更高功率容量； 低通態(tài)電阻和低通態(tài)壓降； 更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的工作頻率等方向發(fā)展。 第七頁(yè)，共十八頁(yè)。 3 研究?jī)?nèi)容 二、 研究?jī)?nèi)容、擬解決的技術(shù)難點(diǎn)SiC電力電子器件的主要研究?jī)?nèi)容：（1）SiC電力電子器件的器件物理研究。包括SiC高壓二極管及SiC-MOSFET晶體管的材料結(jié)構(gòu)

6、設(shè)計(jì)，器件的耐壓解析模型的建立，場(chǎng)板、場(chǎng)限環(huán)及結(jié)終端延伸等終端保護(hù)技術(shù)在器件上的應(yīng)用與設(shè)計(jì)，完善寬禁帶SiC功率器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論等。（2）SiC電力電子器件制備的關(guān)鍵技術(shù)研究。包括SiC材料的歐姆接觸、肖特基接觸的研究，SiC離子注入及退火技術(shù)研究，SiC表面處理及高性能的氧化層制備技術(shù)研究，SiC材料的低損傷刻蝕技術(shù)研究，及其各關(guān)鍵工藝技術(shù)的整合等內(nèi)容。（3）器件的可靠性及失效機(jī)理研究。包括SiC電力電子器件反向漏電流機(jī)理研究，高溫下SiC材料的歐姆接觸、肖特基接觸、SiO2/SiC界面態(tài)、SiC器件的導(dǎo)通、擊穿和開(kāi)關(guān)速度等特性的可靠性研究等。第八頁(yè)，共十八頁(yè)。 3 研究?jī)?nèi)容 二、 研究

7、內(nèi)容、擬解決的技術(shù)難點(diǎn)（1）器件的合理化設(shè)計(jì)。（2）SiC的熱氧化技術(shù)。可靠性及失效機(jī)理研究。SiC材料的歐姆接觸，SiO2/SiC界面態(tài)，器件的導(dǎo)通、擊穿和開(kāi)關(guān)速度等特性的可靠性研究。 SiC 離子注入以及摻雜離子激活在碳化硅器件研究中，摻雜注入要求在高溫注入之后高溫退火激活注入離子。對(duì)于離子注入的最大深度、最高濃度分布狀態(tài)以及標(biāo)準(zhǔn)偏差分布進(jìn)行計(jì)算，在研究中采用相應(yīng)的注入能量、劑量，得到所需要的注入離子分布狀態(tài)。與硅材料中摻雜離子基本處于激活態(tài)不同，碳化硅材料中的摻雜離子一般條件下只有部分處于激活狀態(tài)，并且其激活的比率與多種因素直接相關(guān)。在碳化硅材料中的注入離子激活能比較高，對(duì)于同一種離子，

8、隨著注入離子濃度、注入能量的不同，離子在不同條件下激活之后可能產(chǎn)生不同的的深能級(jí)，形成不同導(dǎo)電類型的摻雜。因此，離子注入摻雜激活機(jī)理的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的摻雜目的是必不可少的。擬解決的技術(shù)難點(diǎn)：第九頁(yè)，共十八頁(yè)。三、 研究目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo) SiC 功率二極管，器件的阻斷電壓大于4500V，最高正向?qū)娏鞑恍∮?00A，開(kāi)關(guān)頻率不少于100kHz； SiC 功率開(kāi)關(guān)最高正向阻斷能力不低于4500V，最高正向?qū)娏鞑簧儆?0A，開(kāi)關(guān)頻率不少于100kHz； 器件經(jīng)過(guò)高溫（200）反偏、溫度循環(huán)、功率循環(huán)、溫度和濕度試驗(yàn)。研究目標(biāo)：SiC功率整流器和功率開(kāi)關(guān)的研制技術(shù)指標(biāo)：第十頁(yè)，共十八頁(yè)。技術(shù)路線

9、：四、 研究方法、技術(shù)路線和可行性分析器件的研制離子注入退火技術(shù)熱氧化技術(shù)歐姆接觸肖特基接觸器件的性能測(cè)試及分析高性能器件器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外延材料生長(zhǎng)器件結(jié)構(gòu)調(diào)整工藝分析和改進(jìn)第十一頁(yè)，共十八頁(yè)。（1）SiC器件物理和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究方案。 建立SiC材料合理的參數(shù)模型，包括載流子統(tǒng)計(jì)模型、遷移率模型、復(fù)合率模型、碰撞電離模型和隧道效應(yīng)模型。對(duì)SiC肖特基結(jié)勢(shì)壘二極管中的p利用仿真模擬軟件對(duì)SiC高壓二極管器件的能帶圖、電場(chǎng)分布等特性進(jìn)行仿真計(jì)算，分析器件中載流子輸運(yùn)機(jī)理，研究器件結(jié)構(gòu)及場(chǎng)板、場(chǎng)環(huán)和結(jié)終端延伸等不同終端保護(hù)技術(shù)對(duì)器件擊穿特性的影響機(jī)理，從而設(shè)計(jì)和優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，獲得合理化器件結(jié)構(gòu)。

10、對(duì)于IGBT器件，影響器件的阻斷電壓的主要因素，包括漂移層的厚度和載流子濃度；影響器件通態(tài)壓降的因素，包括反型層溝道的遷移率、pnp晶體管的注入效率以及p型發(fā)射極的歐姆接觸電阻等；影響器件的開(kāi)關(guān)速度的因素，包括基區(qū)的少子壽命，厚度和摻雜濃度等。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)計(jì)算工具、仿真模擬軟件等對(duì)SiC IGBT器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括阻擋層的厚度及摻雜濃度、漂移層的厚度及摻雜濃度、溝道長(zhǎng)度、發(fā)射區(qū)摻雜及深度、基區(qū)摻雜及深度等器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和SiC的材料參數(shù)，包括載流子壽命、界面態(tài)密度等，對(duì)IGBT器件內(nèi)部的能帶圖、電場(chǎng)分布，器件的轉(zhuǎn)移特性、輸出特性、擊穿電壓等靜態(tài)特性，開(kāi)關(guān)速度等動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行模擬仿真，分析

11、器件器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)對(duì)器件性能的影響機(jī)理；合理解決器件通態(tài)壓降與耐壓、開(kāi)關(guān)速度的折中關(guān)系。四、 研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法：第十二頁(yè)，共十八頁(yè)。（2）SiC器件制備關(guān)鍵技術(shù)研究方案。SiC的歐姆接觸的研究，通過(guò)快速熱退火技術(shù)、傳輸線模型技術(shù)、變溫I-V測(cè)試等技術(shù)，研究Ni、NiSi等金屬在n型SiC材料上的歐姆接觸、研究Ti、Ni、Pt、SiAl等金屬在p型SiC材料的歐姆接觸特性及其形成機(jī)理的研究；利用Trim軟件模擬P、N、Al等離子注入在SiC中能量、深度、偏差和雜質(zhì)濃度分布，改變離子注入后雜質(zhì)激活退火的溫度、時(shí)間、氛圍、密封劑等工藝條件，研究離子注入形成歐姆接觸高摻雜

12、區(qū)及終端保護(hù)技術(shù)的制備研究；利用變溫的I-V和C-V特性對(duì)Pd、Ni、Pt等金屬與SiC材料肖特基接觸進(jìn)行研究，分析界面態(tài)對(duì)肖特基勢(shì)壘高度的影響，分析器件的反向漏電機(jī)理；通過(guò)改變刻蝕氣體的功率、流量配比等參數(shù)對(duì)SiC材料的刻蝕技術(shù)研究等。四、 研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法：第十三頁(yè)，共十八頁(yè)。（2）SiC器件制備關(guān)鍵技術(shù)研究方案。利用變溫I-V特性測(cè)試、表面成分分析測(cè)試等手段研究SiC歐姆接觸的高溫可靠性，分析歐姆接觸的對(duì)器件失效機(jī)理的影響。通過(guò)變溫I-V特性和變溫C-V特性的測(cè)量，研究SiC材料和界面態(tài)對(duì)器件的失效機(jī)理等影響。通過(guò)仿真模擬軟件研究不同溫度對(duì)器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，和閂鎖效應(yīng)的影響。對(duì)器件的可靠性進(jìn)行評(píng)估、對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行分析。四、 研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法：第十四頁(yè)，共十八頁(yè)。 四 研究基礎(chǔ)在SiC器件的工藝方面的研究 已進(jìn)行SiC材料的刻蝕、減薄工藝，器件的設(shè)計(jì)與制備等方面的研究。中國(guó)科學(xué)院微電子研究所研究基礎(chǔ)：不同Ni、Ti、Pt金屬體系的肖特基接觸；表面處理、肖特基金屬退火等技術(shù)對(duì)肖特基勢(shì)壘的影響研究；關(guān)于肖特基接觸可靠性的高溫存儲(chǔ)研究；肖特基二極管反向泄漏電流的形成機(jī)理研究等。肖特基二極管I-V特性第十五頁(yè)，共十八頁(yè)。謝 謝！第十六頁(yè)，共十八頁(yè)。 四 研究