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碳化硅超结肖特基势垒二极管的研究

作　者: 曹琳
导　师: 蒲红斌
学　校: 西安理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 功率器件超结肖特基势垒二极管电荷平衡离子注入
分类号: TN311.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

提高功率器件在耐压,正向导通电阻和开关速度等方面的性能是长期以来功率电子学研究的一个重要方向。但是,这三个主要的性能指标是相互制约的,并不能同时的提高。肖特基势垒二极管作为一种多子器件具有很高的开关速度,但是要做到耐压很高就需要降低漂移区载流子的浓度,从而使正向导通电阻很大。因此,在充分了解了功率器件发展的基础上,借助于硅功率器件中的新技术,将超结(SJ)技术引入SiC功率肖特基势垒二极管中,提出了新型肖特基势垒二极管器件结构,目的在于提高功率器件的各项性能指标。本文对SJ肖特基势垒二极管的结构,原理及特性进行了较为系统的分析,并对可行的工艺流程进行了研究及关键步骤的模拟。主要研究内容如下：首先,对SJ结构的正向导通和反向耐压特性进行了详细的研究。通过理论分析及MEDICI模拟验证,得到了器件特性与器件的几何尺寸,物理参数的关系。特别是由于受实际工艺的限制,本文还对电荷非平衡下的SJ肖特基势垒二极管进行了研究,通过对不同电荷偏差下SJ结构的正向特性及反向特性的分析及模拟验证来说明电荷不平衡对器件性能的影响。这些结果可以为不同工艺条件下SJ器件的研制与开发提供参考与指导。其次,结合Si材料SJ结构的工艺流程和现有的SiC工艺水平,提出了三种可行性较高的工艺流程,并对每种工艺中的关键步骤利用商用软件ATHENA进行了工艺模拟及优化,特别是利用基于蒙特卡罗算法的模拟软件TRIM对器件离子注入参数进行了优化和提取,优化后的工艺流程达到设计要求,为器件的工艺流程提供了方法及参数。综上所述,SiC SJ肖特基势垒二极管是理想的功率器件,本文的研究成果对进一步研究和开发SiC SJ结构器件有一定的参考价值。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
1 引言  7-13
  1.1 SiC材料及肖特基二极管的发展  7-9
    1.1.1 SiC材料的优势  7-8
    1.1.2 几种半导体材料的归一化品质因数  8-9
    1.1.3 碳化硅肖特基二极管的发展  9
  1.2 超结结构(SJ)的提出和国内外的发展  9-11
    1.2.1 SJ结构的提出  9-10
    1.2.2 SJ结构的发展  10-11
    1.2.3 SJ工艺技术的发展  11
  1.3 本文主要工作  11-13
2 SJ肖特基势垒二极管的结构解析  13-23
  2.1 肖特基势垒  13-15
    2.1.1 肖特基势垒高度  13-14
    2.1.2 肖特二极管伏安特性  14
    2.1.3 肖特基二极管伏安特性模型  14-15
  2.2 超结结构常见的原胞结构  15-16
  2.3 超结结构的工作机理  16-17
  2.4 正向导通电阻解析模型  17-18
  2.5 超结结构电势分布解析  18-21
  2.6 等柱宽超结电场分布解析  21
  2.7 等柱宽超结击穿电压解析  21-23
3 SJ肖特基势垒二极管的模拟  23-43
  3.1 模拟软件  23-25
    3.1.1 MEDICI模拟的基本方程  23
    3.1.2 求解步骤  23-24
    3.1.3 物理模型  24-25
  3.2 超结型肖特基势垒二极管的基本结构  25-26
  3.3 正向特性  26-28
  3.4 反向特性  28-34
    3.4.1 SJ肖特基二极管耗尽层展宽  28-29
    3.4.2 SJ和传统肖特基势垒二极管电场分布比较  29-30
    3.4.3 SJ肖特基势垒二极管击穿电场分析  30-32
    3.4.4 反向击穿电压半经验模型  32-33
    3.4.5 柱区浓度对击穿电压的影响  33
    3.4.6 柱区厚度对击穿电压的影响  33-34
  3.5 电荷非平衡的影响  34-39
    3.5.1 正向特性的影响  34-35
    3.5.2 反向特性的影响  35-39
  3.6 器件的品质因数  39-40
  3.7 优化后的IV特性  40-41
  3.8 提高SJ结构性能的措施的一点想法  41-43
4 SJ肖特基势垒二极管的工艺研究  43-59
  4.1 碳化硅中的杂质  43
  4.2 SiC外延技术  43-44
  4.3 模拟软件介绍  44-45
  4.4 SJ肖特基势垒二极管的工艺分析  45
  4.5 离子注入和外延相结合方法  45-51
    4.5.1 碳化硅离子注入基本原理  45-46
    4.5.2 离子分布与模拟方法  46-47
    4.5.3 注入条件设计  47-50
    4.5.4 退火  50-51
    4.5.5 退火掩膜的要求  51
  4.6 外延和刻蚀相结合方法  51-53
    4.6.1 碳化硅刻蚀技术  51-52
    4.6.2 工艺模拟  52-53
  4.7 刻槽和小角度离子注入相结合方法  53-55
  4.8 欧姆接触的形成  55-59
5 结论  59-61
致谢  61-63
参考文献  63-67
在读期间发表的论文  67

碳化硅超结肖特基势垒二极管的研究

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