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高压SiC JFET器件的设计、制备与应用研究

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作者:
陈思哲
导师:
盛况
学科专业:
电气工程 
文献出处:
浙江大学 2016年
关键词:
碳化硅论文  高压功率器件论文  功率模块论文  全碳化硅模块论文  升压变化器论文  

摘要:作为宽禁带半导体的典型代表,碳化硅(SiC)被认为是功率半导体器件的理想材料。与硅(Si)基器件相比,SiC功率器件具有高击穿电压、高工作频率以及耐高温等特点,有望进一步扩展电力电子技术在电网、新能源发电、车辆牵引以及国防技术等多个领域的应用范围。特别是在中高电压领域(3300V-6500V),随着我国高铁事业的蓬勃发展和城市轨道交通的不断进步,高频SiC基器件和功率模块具有较大的性能优势和应用前景。然而,目前学术界和工业界对中高压领域SiC器件关注不足,对中高压SiC功率模块及相关应用的研究和报道有限。对此,基于SiC沟槽-注入栅结型场效应晶体管(TI-JFET)结构,本工作在结构设计、芯片制备及多芯片并联封装等多层面对中高压SiC功率器件展开了系统的研究,并最终实现了基于高压SiC功率模块的变换器样机制备和展示。本论文的主要工作及创新点包括:1、本文对SiC TI-JFET器件结构进行了系统性的建模和仿真工作,首次提出了导通和阻断间"门极电压摆幅"的指标参数,并对其与器件其他指标参数的关系进行了讨论。在模型分析方面,通过引入迁移率饱和模型,本文对SiC JFET器件沟道在饱和区和线性区工作状态进行了建模和整理,建立了更为精确的沟道电压电流模型;基于碰撞电离模型,对SiC器件外延层参数和击穿电压的关系进行了理论分析。在结构仿真方面,基于有限元分析软件,本文对SiC TI-JFET器件结构进行了一系列的仿真研究,分析了关键结构参数对器件的输出、转移以及阻断特性的影响,并提供了优化的高压SiC器件元胞和终端结构设计方案。2、本文对SiC TI-JFET器件制备中的关键技术和工艺流程进行了开发和整合,优化了离子注入后高温退火工艺,将使用钝化层保护的最高温度提高到1600℃。在工艺开发方面,使用以Ti/Ni金属为刻蚀掩膜,SF6为反应气体的刻蚀方法,得到了侧壁形貌良好,底部平整度高的SiC沟槽结构;使用改进的SiC离子注入退火保护技术,将退火后的SiC表面粗糙度降低近1个数量级,并有效提高制备器件的一致性和良率。在器件制备方面,在实验室成功制备出1200V等级和4500V等级SiC TI-JFET器件。1200V器件的最低比导通电阻仅为2.33mΩcm~2,4500V器件最低比导通电阻为24mQcm~2,达到国际上同电压等级SiC器件的优秀水平。3、本文首次报道了高压大容量SiC TI-JFET模块以及高压全SiC模块的制备工作,对沟槽型源极表面引线焊接和多芯片并联存在的问题进行了讨论,并基于全SiC模块进行电压变换器样机的搭建和应用测试。在功率模块方面,制备了电压电流等级达到4500V/30A的SiC TI-JFET功率模块,并使用同项目制备的高压SiC TI-JFET芯片和高压SiCJBS二极管芯片,制备了电压电流等级为3500V/15A的全碳化硅模块。此外,基于全碳化硅模块,进行了升压变换器样机搭建,并对样机工作在50kHz和100kHz开关频率下的工作状态、电路各部分损耗以及系统效率进行分析。本论文的研究工作为SiC功率器件,特别是SiC TI-JFET功率器件的结构设计,制备工艺开发及电路应用打下基础,对器件结构和制备工艺提出了改进措施和优化方向,有望对高压SiC TI-JFET器件和模块的产业化起到推动作用。

摘要

ABSTRACT

致谢

第1章 绪论

1.1 碳化硅材料

1.2 单极型碳化硅功率器件发展

1.2.1 碳化硅肖特基二极管

1.2.2 碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管

1.2.3 碳化硅结型场效应晶体管

1.3 本工作选题的重要意义

1.4 本论文的主要内容

第2章 碳化硅沟槽-注入栅结型场效应晶体管建模与外延层设计

2.1 SIC TI-JFET器件有源区元胞结构

2.2 SIC TI-JFET器件电流电压模型

2.2.1 器件沟道电压电流关系

2.2.2 恒定迁移率模型

2.2.3 电子漂移速度饱和模型

2.2.4 器件的漂移区电阻

2.3 SIC TI-JFET器件漂移区外延层参数设计

2.3.1 材料碰撞电离模型

2.3.2 SiC外延层参数与击穿电压

2.3.3 1200V和4500V等级SiC外延层参数的选择

2.4 SIC TI-JFET器件的多层外延结构

2.5 本章小结

第3章 碳化硅沟槽-注入栅结型场效应晶体管结构仿真

3.1 SILVACO TCAD仿真软件介绍

3.2 碳化硅材料的仿真模型与参数

3.2.1 本征载流子浓度和带隙模型

3.2.2 迁移率模型

3.2.3 过剩载流子产生复合模型

3.2.4 碰撞电离系数

3.3 器件有源区元胞结构仿真

3.3.1 SiC TI-JFET器件关键参数定义和元胞设计流程

3.3.2 4500V等级SiC TI-JFET器件元胞参数设计

3.3.3 1200V等级SiC TI-JFET器件元胞参数设计

3.3.4 SiC TI-JFET器件导通和阻断间的门极电压摆幅

3.3.5 SiC TI-JFET器件设计中其他关键问题的讨论

3.4 器件终端结构仿真

3.4.1 终端结构的选择

3.4.2 6500V场限环终端结构仿真

3.4.3 工艺偏差对终端结构耐压的影响

3.5 本章小结

第4章 碳化硅沟槽-注入栅结型场效应晶体管的工艺开发与器件制备及测试

4.1 SIC TI-JFET器件关键工艺开发

4.1.1 SiC沟槽刻蚀工艺

4.1.2 SiC离子注入退火工艺

4.1.3 沟槽表面平坦化和回刻

4.2 SiC TI-JFET器件工艺流程设计

4.3 1200V等级SIC TI-JFET器件制备与测试

4.3.1 门极-源极间二极管特性测试

4.3.2 门极-漏极间二极管特性测试

4.3.3 器件输出特性测试

4.3.4 器件转移特性测试

4.3.5 器件设计沟道宽度与实际宽度的偏差

4.3.6 器件阻断特性测试

4.4 4500V等级SiC TI-JFET器件制备与测试

4.4.1 门极-源极间二极管特性测试

4.4.2 门极-漏极间二极管特性测试

4.4.3 器件输出特性测试

4.4.4 器件阻断特性测试

4.5 本章小结

第5章 高压碳化硅功率模块的制备与应用

5.1 单芯片封装测试结果

5.1.1 高压SiC JFET器件单芯片测试

5.1.2 高压SiC JBS器件单芯片测试

5.2 高压大容量SIC JFET模块的制备与测试

5.2.1 模块的封装结构与失效器件的剔除

5.2.2 高压大容量SiC JFET模块测试结果

5.3 高压全SiC模块的制备与电路应用

5.3.1 高压全碳化硅模块的制备

5.3.2 SiC JFET器件的驱动电路设计

5.3.3 模块双脉冲测试结果

5.3.4 基于全碳化硅模块的BOOST电路

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 对未来工作的展望

参考文献

作者在学期间所取得的科研成果

发表和录用的文章

授权和受理的专利