碳化硅的结构模型

西安电子科技大学

硕士学位论文

碳化硅MOSFET的高温模型及关键工艺研究

姓名：韩茹

申请学位级别：硕士

专业：微电子学与固体电子学

指导教师：柴常春

20060101 摘 要

摘 要

作为第三代宽禁带半导体材料代表之一，碳化硅由于具有优越的电学、热学

性质，因此在高温、高频及大功率场合下有广泛的应用前景。本文对SiC MOSFET

器件的高温特性作了详细的研究，着重讨论了影响器件高温条件下输出特性的诸

多因素，并就目前的工艺水平对SiC MOSFET制作的关键工艺—欧姆接触进行了

实验研究。

研究了SiC中载流子“冻析效应”、沟道迁移率及本征载流子浓度等在不同温

度下对SiC MOSFET阈值电压的影响；源漏接触电阻及SiC二极管反向饱和电流

随温度的变化关系。

论文提出了一个带温度补偿的SiC MOSFET解析模型。该模型通过将阈值电

压，体漏电流，源漏薄层电阻等在高温条件下对输出电流变化的影响等效为与源

漏沟道并联的等效电流源。通过对该模型仿真得到，高温条件下漏电流的变化主

要是由阈值电压的变化引起的，同时体内缺陷的存在导致在漏-衬端Poole-Frenkel

效应明显，体漏电流不可忽略，并且随着温度的升高，其所占比例不断增大，逐

渐成为Ids的重要组成部分。

实验研究了SiC欧姆接触工艺。通过离子注入4H-SiC和直接采用高掺杂

4H-SiC外延材料两种方法制备了欧姆接触，运用欧姆接触测试图形TLM结构欧姆

接触进行了测试，得到的比接触电阻分别为～10－5⋅Ωcm2和～10－6⋅Ωcm2。

关键词：碳化硅 补偿电流源 体漏电流 普尔-弗兰克效应 欧姆接触

Abstract

Abstract

As one of the so-called third generation semiconductor materials- Silicon Carbide,

has very good electrical and thermal properties. These properties make SiC a preferred

科技创新与应用TechnologyInnovationandApplication研究视界2021年13期碳化硅功率器件的发展与数值建模李国鑫（上海电力大学，上海200090）

1碳化硅材料的发展随着集成电路与微电子的发展，传统的半导体材料由于自身的结构和局限性，在高导热、高电场的工作环境下已难堪大任，碳化硅材料以其卓越的物理特性引起了人们的关注，并成为了继第一代元素半导体硅和第二代化合物半导体磷化镓等之后发展迅速的第三代半导体材料[1-2]。碳化硅电子器件的发展已有多年，在1907年首次观察到碳化硅的电致发光现象，且于1923年利用碳化硅制成了第一种LED。但早期大多数关于碳化硅的研究是通过升华法生产的，目前最常用的方法是物理气相输运法（PhysicalVaporTransport，PVT）。表1比较了碳化硅材料和硅材料的基本物理特性。不难得出，与普通的硅材料相比，碳化硅材料具有更加优良的物理特性。包括其更加宽泛的禁带、更高的击穿场强、热导率及击穿场强[3-4]。因此，深入研究碳化硅结构并解决其高界面态是推动碳化硅功率器件发展的必经之路。24H-SiCMOSFET器件结构半导体功率器件一般可分为两种，即MOS器件与双极结型器件。图1中展示了一种基本的碳化硅MOS器件的结构，该结构具有工频高，栅压可控的优点。然而，在SiO2/SiC存在的高界面态却阻碍了碳化硅MOS在航天航空及通信等领域的广泛应用。摘要：近年来，碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体材料的发展引起了人们的广泛关注。凭借其高导热性、高击穿电场和可生长天然氧化物的能力，在航天航空及通信等领域得到了广泛应用。然而，碳化硅功率器件在开发中也有一定的局限性，碳化硅功率器件的高界面态成为制约器件性能的主要因素。因此，碳化硅器件还需要更加深入地了解与应用。文章比较了第三代半导体材料碳化硅与第一代元素半导体硅材料的物理特性，并提出了研究碳化硅材料数值分析所需的模型，为今后碳化硅功率器件的研究打下基础。关键词：碳化硅；功率器件；宽禁带；物理特性中图分类号院TN303文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2021冤13-0067-03Abstract:Inrecentyears,thedevelopmentofsiliconcarbide,galliumnitrideandotherwidebandgapsemiconductormaterialshasattractedextensiveattention.Becauseofitshighthermalconductivity,highbreakdownelectricfieldandtheabilitytogrownaturaloxides,ithasbeenwidelyusedinaerospace,communicationandotherfields.However,therearesomelimitationsinthedevelopmentofsiliconcarbidepowerdevices.Thehighinterfacestateofsiliconcarbidepowerdeviceshasbecomethemainfactorrestrictingtheperformanceofdevices.Therefore,siliconcarbidedevicesneedmorein-depthunderstandingandapplication.Inthispaper,thephysicalpropertiesofthethird-generationsiliconcarbideandthefirst-generationelementsiliconcarbidearecompared,andthemodelforthenumericalanalysisofsiliconcarbideisestablished,whichlaysafoundationforthefutureresearchofsiliconcarbidepowerdevices.Keywords:siliconcarbide;powerdevices;widebandgap;physicalproperties

第2课时 共价晶体

学业要求 素养对接

1.借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点。

2.能够从化学键的特征，分析理解共价晶体的物理特性。 微观探析：共价晶体的结构特点。

模型认知：建立共价晶体模型，并利用共价晶体模型进行相关计算。

[知 识 梳 理]

一、共价晶体的结构和性质

1.共价晶体的结构特点

(1)构成微粒及作用力

共价晶体构成微粒：原子微粒间作用力：共价键

(2)空间构型：整块晶体是一个三维的共价键网状结构，不存在单个的小分子，是一个“巨分子”。

2.共价晶体与物质的类别

物质种类 实例

某些非金属单质 晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等

某些非金属化合物 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等

某些氧化物 二氧化硅(SiO2)等

3.共价晶体的熔、沸点

(1)共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必需破坏共价键，而破坏它们需要很高的温度，所以共价晶体具有很高的熔点。

(2)结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。

【自主思考】

1.含有共价键的晶体都是共价晶体吗？

提示 共价晶体中都有共价键，但含有共价键的不一定是共价晶体。如CO2、H2O 等分子晶体中也含有共价键。

二、典型的共价晶体

1.金刚石

(1)碳原子采取sp3杂化，C—C—C夹角为109°28′。

(2)每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间网状结构。

(3)最小碳环由6个碳原子组成，且最小环上有4个碳原子在同一平面内；每个碳原子被12个六元环共用。

2.晶体硅

把金刚石中的C原子换成Si原子，得到晶体硅的结构，不同的是Si—Si键长＞C—C键长。

3.二氧化硅晶体

(1)Si原子采取sp3杂化，正四面体内O—Si—O键角为109°28′。

(2)每个Si原子与4个O原子形成4个共价键，Si原子位于正四面体的中心，O原子位于正四面体的顶点，同时每个O原子被2个硅氧正四面体共用；每个O原子和2个Si原子形成2个共价键，晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2。

务Ｉ　訇　化　

碳化硅肖特基二极管仿真模型及其在自动化　

装置中的应用　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｃａｒｂｉｄｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｃｈｏｔｔｋｙ　ｄｉｏｄｅ　郝夏斐，潘三博　

ＨＡＯ　Ｘｉａ．ｆｅｉ．ＰＡＮ　Ｓａｎ．ｂｏ　（安阳师范学院，安阳４５５００２）　摘要：根据碳化硅肖特基二极管半导体物理结构，在测量碳化硅二极管特性参数的基础上研究其静、　动态性能及计算机仿真模型。针对其低的通态电阻、反向阻断电压高、高频率、存储电荷少的　特点，在适合其应用的太阳能最大功率跟踪电路以及作为ＩＧＢＴ器件的续流二极管电路上研究了　其反向恢复特性及对电路效率的提高。实验结果验证了模型的准确性与应用的优越性。　关键词：碳化硅；肖特基二极管；仿真模型；效率　中图分类号：ＴＮ３２３　文献标识码：Ａ　文童编号：１　００９—０１　３４（２０１　１）６（下）－ｏｌ　２３－０３　Ｄｏｉ：’０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１　００９－０１　３４．２０１１．６（下）．３９　

０引言　

碳化硅肖特基功率二极管经过１０—１５年的　研究，已经成功从实验室走向商业化应用。当前　

德国Ｉｎｆｉｎｅｏｎ，美国Ｃｒｅｅ、Ｓｅｍｉｓｏｕｔｈ，日本三菱　等公司都提供相应的器件，在高性能的国防、工　业自动化、汽车电子领域等得到了广泛的应用…。　

由于其具有耐压高、开关速度高、通态电阻低、　耐高温及良好的反向恢复特性等优点，碳化硅肖　特基功率二极管特别适合应用于光伏最大功率跟　

踪电路　，作为Ｂｏｏｓｔ电路的快恢复二极管，它能　显著提高开关频率，减小电感、电容等无源元件　

的大小与尺寸，减小装置成本，提高装置的效率。　本文从二极管器件的正向导通压降、导通电　

阻、等效结电容等静态、动态参数的半导体模型　出发，建立了碳化硅肖特基功率二极管的ｐｓｐｉｃｅ　仿真模型。详细分析了器件应用于太阳能最大功　率跟踪电路，以及作为反并联续流二极管用在