对具有结终端保护的4H-SiC肖特基势垒二极管的研究
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结终端采用JTE保护技术的4H-SiC PiN二极管模拟和研制
(英文)
张发生;张玉明
【期刊名称】《计算物理》
【年(卷),期】2011(28)2
【摘要】利用二维器件模拟软件ISE-TCAD 10.0,对结终端采用结扩展保护技术的4H-SiC PiN二极管平面器件进行反向耐压特性的模拟,并获得许多有价值的模拟数据.依据所得的模拟数据进行此种二极管器件的研制.实验测试表明,此二极管的模拟优化数据与实验测试的结果一致性较好,4H-SiC PiN二极管所测得到的反向电压达1 600 V,该反向耐压数值达到理想平面结的击穿耐压90%以上.
【总页数】7页(P306-312)
【关键词】4H-SiC;PiN二极管;结终端扩展;仿真;工艺;击穿电压
【作者】张发生;张玉明
【作者单位】中南林业科技大学计算机与信息工程学院;西安电子科技大学微电子学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN302
【相关文献】
1.对具有结终端保护的4H-SiC肖特基势垒二极管的研究 [J], 张发生;李欣然
2.具有单区JTE终端的3300 V 4H-SiC结势垒r肖特基二极管的研制 [J], 潘艳;田亮;张璧君;郑柳;查祎英;吴昊;李永平;杨霏
3.基于结终端扩展的4H-SiC肖特基势垒二极管研制 [J], 张发生;李欣然
4.对拥有结终端保护的高压4H-SiC PIN二极管的研究 [J], 张发生;陈育林
5.采用场板和B^+离子注入边缘终端技术的Ti/4H-SiC肖特基势垒二极管(英文) [J], 陈刚;李哲洋;柏松;任春江
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浅析高温Ti4H—SiC肖特基势垒二极管的特性【摘要】SiC是新一代高温、高频、大功率和抗辐照半导体器件和集成电路的半导体材料,具有高击穿电场、高饱和电子漂移速率、高热导率及抗辐照能力强等一系列优点肖特基势垒二极管是实现各种SiC器件的基础,因此对SiC肖特基势垒二极管高温特性的研究具有十分重要的理论和实际意义。
【关键词】碳化硅;肖特基势垒二极管;伏安特性;热电子发射理论第三代宽带隙半导体材料SiC特别适合制作高压、高温、高功率、耐辐照等半导体器件,使得其在航空航天综合工程、核动力工程、矿物开采与加工、化学工业、汽车制造业等领域有着广泛的应用前景。
近年来,SiC器件在高温特性研究和应用方面都取得了很大的进展。
目前,对高于550K的肖特基二极管的特性未见报道,而550K的温度远远不能满足目前对极端电子器件的要求,也没有发挥SiC的优势[1~3],需要我们进行进一步的研究探索。
1.肖特基二极管的器件结构主要工艺流程是:(1)制备样片,超声清洗晶片,之后用1号、2号洗液清洗,再用高纯冷热去离子水冲洗。
(2)有源区厚氧化,光刻,离子注入三价金属(Al,B)形成p型掺杂区,1650℃真空退火。
(3)衬底在高真空中电子束蒸发厚度为1.2Lm的Ti、Ni、Ag合金,在氩气保护下950℃退火,形成欧姆接触。
(4)有源区光刻,外延层在高真空电子束蒸发厚度为1Lm的Ni(Ti),在氩气保护下650℃退火,形成肖特基接触,在Ni(Ti)上蒸Au作为加厚及防氧化保护层。
(5)反刻Ni(Ti)、Au,划片,烧结,压焊,封装和测试。
2.实验结果与分析2.1 实验2.2 实验结果SiC材料具有很宽的禁带宽度(4H-SiC的禁带宽度Eg=3.26eV),决定了其器件具有良好的温度特性,能够在很宽的温度区间范围正常工作。
由于封装技术限制,我们对SDT06S60器件做了宽温区(-100~500℃)的温度特性研究,对实验室研制的Ti肖特基势垒二极管和Ni肖特基势垒二极管做了从室温(20℃)到320℃温度范围的温度特性研究。
具有高K栅介质的4H-SiC双沟槽功率MOSFET器件特性分析与研究具有高K栅介质的4H-SiC双沟槽功率MOSFET器件特性分析与研究摘要:随着功率电子领域的快速发展,4H-SiC材料因其优异的功率特性而备受关注。
本文通过对具有高K栅介质的4H-SiC双沟槽功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的特性进行分析与研究,探讨了该器件在功率电子应用中的潜力。
实验结果表明,该器件在高电压、高温和高频等条件下表现出优良的性能,具有广阔的应用前景。
1. 引言随着社会对绿色能源的需求不断增加,功率电子器件的研究进入了一个全新的阶段。
传统的功率器件往往无法满足高温、高压、高频和高功率的应用需求,因而迫切需要一种新型的器件来解决这些问题。
4H-SiC材料具有高电场饱和速度、高热导率和较宽的能隙等优点,被认为是下一代功率器件的最佳候选材料之一。
2. 4H-SiC双沟槽功率MOSFET的基本结构4H-SiC双沟槽功率MOSFET是一种金属氧化物半导体场效应晶体管,其具有高K栅介质。
基本结构包括栅极、漏极、源极和沟道等部分。
高K栅介质的应用使得器件的栅电流显著减小,提高了器件的性能。
3. 器件特性分析3.1 动态特性通过对4H-SiC双沟槽功率MOSFET的开关特性进行测试,可以得到其开启延迟时间、关断延迟时间和开关过程中的功率损耗等参数。
实验结果显示,在高温和高频条件下,该器件的开关速度较快,且功率损耗较小,具有优异的动态特性。
3.2 静态特性对4H-SiC双沟槽功率MOSFET的静态特性进行分析可以得到器件的漏极电流、漏极-源极电压和栅电流等参数。
实验结果显示,在高电压条件下,漏极电流很小,漏极-源极电压变化较小,且栅电流较低,表明该器件具有良好的静态特性。
4. 应用前景4H-SiC双沟槽功率MOSFET由于具有高电压、高温和高频等特性,可以广泛应用于电力电子、新能源发电系统和电动汽车等领域。
其优异的特性使得该器件具有广阔的市场前景。
SiC结势垒肖特基二极管总结报告何东(B140900200)肖凡(B140900208)于佳琪(B140900204)一、SiC JBS器件的发展现状1. 宽禁带半导体材料的优势当前,随着微电子器件向低功耗、高耐压、高可靠性方向的发展,对半导体材料的要求也逐渐提高。
微电子器件越来越多的应用在高温、高辐照、高频和大功率等特殊环境。
为了满足微电子器件在耐高温和抗辐照等领域的应用,需要研发新的半导体材料,从而最大限度地提高微电子器件性能。
传统的硅器件和砷化镓器件限制了装置和系统性能的提高。
以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料,由于材料本身的宽禁带宽度和高临界击穿电场等优点成为制作耐高温、高功率和抗辐照等电子器件的理想的半导体材料[1]。
目前研究的SiC基器件有高温和功率SiC器件、微波和高频SiC器件、SiC光电器件、抗辐照器件等[2]。
SiC材料的临界击穿场强是Si材料的10倍,SiC的禁带宽度和热导率均是Si材料的3倍,本征载流子的浓度也只有硅材料的十分之一。
这些优异的物理特性使SiC材料制成的半导体功率器件在高频、高温、大功率及高辐照等环境下有很高的优势。
SiC在不同的环境下能形成不同的晶体结构,现在常用的有3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC三种晶体结构。
4H-SiC材料以其较高的禁带宽度和空穴迁移率,较低的本征载流子浓度成为制造半导体器件的主流材料[3-4]。
具备以上优异的物理特性的4H-SiC材料主要有以下应用:(1)利用其优异的热导率特性,在器件封装及温度方面的要求低,4H-SiC 器件适合应用在卫星、航空和航天探测、石油以及地热钻井探测、汽车发动机等需要耐高温的环境中。
(2)利用其宽禁带宽度和高化学稳定性,在高频和抗辐照等领域,4H-SiC 器件具有不可替代的作用,因为它可以抵御强大的射线辐射,在核战或强电磁干扰中的耐受能力远远超过硅基器件。
(3)利用其高的饱和速度和临界击穿场强,4H-SiC是1~10 GHz范围的大功率微波放大器的理想应用材料,高频和微波4H-SiC器件在军用雷达、通信和广播电视等领域具有很好的应用前景。
4H-SiC PiN二极管开关特性研究的开题报告一、研究背景随着电力电子技术的发展和应用领域的不断扩大,如能源、交通、信息通信等领域的需求,对高性能、高速、大电流、高温等条件下工作的开关器件的需求越来越迫切。
其中,4H-SiC PiN二极管作为高性能开关器件之一,它具有较高的电压电流特性、抗射频干扰性能和抗辐照能力等特点,逐渐成为研究的热点。
二、研究目的本文旨在研究4H-SiC PiN二极管的开关特性,探索其在高性能开关器件中的应用,并进一步改进其性能。
三、研究方法本文采用理论计算和实验测量相结合的方法,通过建立4H-SiC PiN 二极管的物理模型,使用PSPICE软件模拟其开关特性,并在实验室中对其进行电学性能测试和结构分析。
通过比对模拟和实验数据,评估4H-SiC PiN二极管的可靠性和性能指标,并提出进一步优化设计的建议。
四、研究内容1.建立4H-SiC PiN二极管的物理性质模型,包括管子结构、管子参数、材料参数等;2.使用PSPICE软件对4H-SiC PiN二极管进行电路仿真,得到其开关特性参数;3.在实验室中对4H-SiC PiN二极管进行电学性能测试和结构分析,并记录实验数据;4.比对模拟和实验数据,评估4H-SiC PiN二极管的可靠性和性能指标;5.提出进一步优化设计的建议。
五、研究预期结果通过本文的研究,预期可以获得以下结果:1.建立4H-SiC PiN二极管的物理性质模型,并分析其结构、材料参数,有助于深入了解其性能;2.使用PSPICE仿真软件模拟4H-SiC PiN二极管的开关特性,得到性能参数,并与实验数据进行比对,评估其性能指标;3.得出4H-SiC PiN二极管的开关特性,并提出进一步改进优化的建议,推动其在高性能开关器件中的应用。
六、研究意义本文的研究有以下丰富意义:1.深入了解4H-SiC PiN二极管的物理性质,为后续相关研究提供理论支撑;2.研究4H-SiC PiN二极管的开关特性,探索其在高性能开关器件中的应用,有助于推进电力电子技术的发展;3.提出进一步优化设计的建议,为4H-SiC PiN二极管的性能提升和应用拓展提供参考。
4H-SiC结势垒肖特基二极管VRSM特性研究∗顾春德;刘斯扬;马荣晶;孙伟锋;黄润华;陶永洪;刘奥;汪玲【摘要】通过器件模拟仿真软件Sentauras和高分辨率透射电子显微镜HRTEM( High-Resolution Transmission Electron Micros-copy)研究了4H-SiC 结势垒肖特基二极管JBS( Junction Barrier Schottky)在反向浪涌电压应力作用下的失效机理;进而重点研究了结终端扩展区JTE(Junction Termination Extension)的长度、深度和掺杂浓度对该器件反向浪涌峰值电压VRSM(Maximum Surge Peak Reverse Voltage)的影响,并结合JBS的基本结构对其进行优化设计;最后,流片测试显示优化设计的4H-SiC结势垒肖特基二极管的VRSM值约为1450V,比原器件提升了20%左右。
%The failure mechanism of 4H-SiC Junction Barrier Schottky( JBS) diode under surge reverse stress has been investigated by device simulators Sentauras and high-resolution transmission electron microscopy ( HRTEM ) . Moreover,the influences upon the maximum surge peak reverse voltage(VRSM)from thedepth,length and doping concentration of the junction termination extension( JTE) region in the 4H-SiC JBS diode have been also studied,after that,the optimization design of the device is carried out. Finally,the measurement result shows that,the VRSM of the optimized 4H-SiC JBS diode has achieved at 1450V,which is increased by about 20%comparing with the original one.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】5页(P725-729)【关键词】4H-SiC;结势垒肖特基二极管;反向浪涌峰值电压;优化【作者】顾春德;刘斯扬;马荣晶;孙伟锋;黄润华;陶永洪;刘奥;汪玲【作者单位】东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心,南京210096;东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心,南京210096;东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心,南京210096;东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心,南京210096;中国电子科技集团公司第五十五研究所,南京210016;中国电子科技集团公司第五十五研究所,南京210016;中国电子科技集团公司第五十五研究所,南京210016;中国电子科技集团公司第五十五研究所,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TN311优良的二极管应同时具有小开启电压、低反向漏电、高击穿电压和高开关速度等特性,碳化硅SiC(Silicon Carbide)JBS结合了传统PiN二极管和肖特基二极管SBD(Schottky Barrier Diode)的优点,在具有比PiN二极管更低的开启电压和更高的开关速度的同时还具有比SBD更低的反向漏电流和更高的击穿电压[1]。
4H-SiC功率肖特基势垒二极管(SBD)和结型势垒肖特基(JBS)二极管的研究4H-SiC功率肖特基势垒二极管(SBD)和结型势垒肖特基(JBS)二极管的研究引言:在现代电子设备中,功率器件的需求越来越高。
功率器件的研究和探索是提高电力传输效率和减少功率损耗的关键。
作为一种新型的功率器件,4H-SiC肖特基势垒二极管(SBD)和结型势垒肖特基(JBS)二极管已经引起了广泛关注。
本文将对这两种器件的研究进行探讨和分析。
1. 4H-SiC SBD器件的研究1.1 SiC的特性硅碳化物(SiC)是一种宽禁带半导体材料,具有优异的物理和化学性质。
相对于传统的硅(Si)材料,SiC具有更高的电场饱和速度、更高的击穿电压和更好的热导性能。
这些特性使得SiC成为功率器件研究的热点。
1.2 4H-SiC SBD的结构和特点4H-SiC SBD器件由p-n结组成,其中p型区域具有较低的掺杂浓度,n型区域具有较高的掺杂浓度。
这种结构使得4H-SiC SBD器件具有较低的反向漏电流和较短的开关时间。
研究表明,4H-SiC SBD器件能够在高温下工作,具有较低的导通压降和较高的散热能力。
2. 4H-SiC JBS器件的研究2.1 JBS器件的结构和特点结型势垒肖特基(JBS)二极管是在SBD的基础上发展而来的新型器件。
JBS器件在SBD的基础上引入了金属-半导体结(M-S)以增强电压承受能力和抑制反向漏电流。
JBS器件的结构相对复杂,但具有较低的开关损耗和较高的可靠性。
研究表明,JBS器件在高压应用中具有较大的优势。
3. 4H-SiC SBD和JBS器件的比较3.1 性能比较研究表明,4H-SiC JBS器件相比于4H-SiC SBD器件具有更低的反向漏电流、更高的开关速度和更低的开关损耗。
这些优势使得JBS器件在高频和高压应用中具有潜在的应用前景。
3.2 制造工艺比较相对于SBD器件,JBS器件的制造工艺更为复杂,成本也较高。
新型4H-SiC肖特基二极管的仿真与分析李俊楠;战可涛【摘要】A novel structure for a 4H-SiC Schottky barrier diode (SBD) with an inclined plane and field rings has been proposed. The silvaco computer aided design (TCAD) software, which is based on semiconductor theory, has been used to simulate the structures of the new 4H-SiC SBD and a 4H-SiC SBD with the conventional structure and the electric V-I characteristics, the breakdown voltage and heat distribution of the 4H-SiC SBD devices with different structures were compared. The new 4H-SiC SBD had a significantly better performance in terms of electric V-I characteristics and heat distribution in devices, and had a breakdown voltage of 2300 V.%设计了斜面结构碳化硅肖特基二极管(4H-SiC SBD)并且在器件中加入场环结构,通过基于半导体物理理论的计算机辅助设计软件( Silvaco-TCAD)分析计算了常规结构和新结构SiC -SBD器件的V-I特性、击穿电压、温度热学分布.对比计算结果,可知新结构SiC-SBD器件击穿电压提高至2300V,导通电阻减小,温度热学分布明显优于常规结构SiC-SBD器件.【期刊名称】《北京化工大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2012(039)004【总页数】5页(P117-121)【关键词】4H-SiC;肖特基二极管;击穿电压;V-I特性【作者】李俊楠;战可涛【作者单位】北京化工大学理学院,北京100029;北京化工大学理学院,北京100029【正文语种】中文【中图分类】TN386随着电力电子和智能电网行业的发展,对大功率半导体器件的性能指标要求越来越高。
Vol.32,No.6Journal of SemiconductorsJune 2011Fabrication and characteristics of a 4H-SiC junction barrier Schottky diodeChen Fengping(陈丰平) ,Zhang Yuming(张玉明),L ¨uHongliang(吕红亮),Zhang Yimen(张义门),Guo Hui(郭辉),and Guo Xin(郭鑫)School of Microelectronics,Key Laboratory of Wide Band-Gap Semiconductor Materials and Devices,Xidian University,Xi’an 710071,ChinaAbstract:4H-SiC junction barrier Schottky (JBS)diodes with four kinds of design have been fabricated and char-acterized using two different processes in which one is fabricated by making the P-type ohmic contact of the anode independently,and the other is processed by depositing a Schottky metal multi-layer on the whole anode.The re-verse performances are compared to find the influences of these factors.The results show that JBS diodes with field guard rings have a lower reverse current density and a higher breakdown voltage,and with independent P-type ohmic contact manufacturing,the reverse performance of 4H-SiC JBS diodes can be improved effectively.Furthermore,the P-type ohmic contact is studied in this work.Key words:4H-SiC;junction barrier Schottky;field guard ring DOI:10.1088/1674-4926/32/6/064003PACC:7155D;7330;7340N1.IntroductionWith increasing interest in SiC Schottky barrier diodes(SBD)in power conversion applications,much effort has been focused on improving SiC SBD performance.The junction barrier Schottky (JBS)diode offers the Schottky-like ON-state with fast switching characteristics,and the PiN-like OFF-state characteristics with low leakage current.Several SiC JBS diodes have been reported by different groups Œ1 4 .The con-duction loss can be much lower than that of a PiN diode with a breakdown voltage of less than 3kV due to the high (2.7V)turn-on voltage of the SiC P–N junction Œ5 .The leakage cur-rent of the JBS diode is lower than that of a SBD,owing to the high electric field shielded away from the Schottky contact by a depletion layer of P–N junctions.As shown in Fig.1(a),the anode contains a Schottky contact above the SBD regions and a P-type ohmic contact above the P C regions,so it is fabricated simultaneously by deposit Schottky contact metal in the cus-tomary process,as shown in Fig.1(b).In this work,two kinds of processes to fabricate the anode were employed to study the influence on the electrical characteristics of the JBS diodes.To design a JBS diode with a high breakdown voltage,several kinds of termination can be used,such as a junction termination extension and a mesa termination.However,these terminations require etching and extra ion implanting.To re-duce the processing steps and avoid the disadvantages caused by these extra steps,the filed guarding ring (FGR)was fab-ricated with P C for the main junction simultaneously in this work.The 4H-SiC JBS diodes with and without FGRs were fabricated by the two different processes mentioned above.2.Design and fabricationA 10 m N epilayer with doping of 1.56 1015cm 3was grown on the N C substrate purchased from CREE,witha doping concentration of more than 1 1018cm 3.Samples 1and 2were processed on the substrate with different tech-niques separately.First of all,the circular P C regions for the samples were formed at the same time.Multiple implantations were implemented at 400ıC in argon ambience.Al ion implan-tation was with energy of 30,280,and 500eV ,while the doses of 8.6 1013,5.2 1014,and 7.8 1014cm 2were taken,respectively.Fig.1.Schematic cross section of the JBS diodes.*Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No.61006060)and the 13115Innovation Engineering of Shannxi Province,China (No.2008ZDKG-30).Corresponding author.Email:fpchen@Received 1November 2010,revised manuscript received 22February 2011c2011Chinese Institute of ElectronicsParameters for all structures are shown in Fig.1(a),and all of the parameters’values were chosen to be the same for both samples.The P C junctions are characterized by the width of the P C implantation window (W /and the spacing in between (S/.FGRs are characterized by the width of a single ring (L/and the spacing between the two nearest rings (D/.According to Ref.[6],L was chosen to be the fixed value 5 m,and D D 2.5 m in the experiment.For convenient description in this paper,the JBS will be marked as JBS (S ,W /.In this work,the four structures with different designs are (a)JBS (2.5,4)with-out edge termination;(b)JBS (2.5,4)terminated by FGRs;(c)JBS (3,4)without edge termination;and (d)JBS (3,4)ter-minated by FGRs.FGRs with L D 5 m for each ring were implanted around the periphery of the forward conducting ac-tive area to reduce electric field crowding at the edge of the diode under reverse bias.All of the FGRs were formed simul-taneously with the P C junction regions with ion-implantation,thus the depth and concentration are the same as the P C junc-tion regions.The samples were annealed at 1650ıC for 45min in argon ambience.Then,the profile in 0.6 m depth was mea-sured.It is well known that a high temperature annealing (>1000ıC)is usually required for ohmic contact activation.The fact that the melting temperature of Al (660ıC)is much lower gives rise to contact morphological problems.It was reported that Al melted during the high temperature anneal Œ7 ,spilling over the surface of the devices,potentially damaged the periphery of the devices.To improve the contact morphology,according to Ref.[8],a multi-layer of Ti/Al/Ti/Al/Ti/Al/Ag was deposited on sample 1’s top of P C junction regions after P C regions done,and then an annealing at 1000ıC in a gas mixture of 97%N 2and 3%H 2for 2min was carried out to create a P-type ohmic contact.Both samples underwent tri-layer metallization of Ti/Ni/Ag to form a backside contact.Sample 1was annealed for 2min and sample 2was annealed for 5min at 1000ıC in a gas mixture of 97%N 2and 3%H 2.Finally,bi-layer metallization of Ti/Ag was used to form the front Schottky metal contact for both samples.Figure 2shows the scanning electron microscope (SEM)photographs of both samples.It was previously thought that sample 2had a much better periphery than sample 1since sample 2was not annealed to make P-type ohmic contact.As can be seen in Fig.2(a),the Al spilled a little over the edge of the anode area for sample 1.This can be improved if a thinner Al layer is chosen and the Ti/Al multi-layer superposition time is increased Œ8 .3.Results and discussionThe fabricated devices were electrically measured at room temperature using a Tektronix 370B programmable curve tracer and an Agilent B1500A semiconductor device analyzer.Figure 3shows a comparison of the reverse current den-sity versus reverse voltage between JBS (2.5,4)and JBS (3,4)from each sample.As we know,when the JBS is reverse biased,the depletion layers of the adjacent P–N junctions will spread wider,leading to a reduction in the width of the Schottky chan-nel.After the depletion layer is pinched off,a potential barrier for SBD is formed,then the depletion layer is extended toward the N C substrate with further increasing reversed voltage Œ9 .Fig.2.SEM photos of both samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.Fig.3.Reverse V –J characteristics of JBS diodes with different val-ues of S for samples 1and 2.However,as can be seen from this figure,the current densities from sample 1have much lower reverse current densities than those of sample 2.As mentioned above,the P-type contact for sample 2is not independently fabricated,which causes the bar-rier on the P C regions to be much higher then excepted,and the depletion layers between the two nearest P C regions will not pinch off effectively.Figure 3shows a comparison between two JBS diodes with different S .Apparently,the JBS diode with S D 2.5 m has a lower reverse current density than the one with S D 3 m.It can be seen from Fig.4that the reverse current den-Fig.4.Reverse V –J characteristics of JBS diodes with and without edge termination for samples 1and 2.sity of JBS diodes with FGRs are much lower than those with-out FGRs,since FGRs can effectively reduce the field crowd-ing in the edge of devices,it has a higher breakdown voltage.In this work,JBS diodes with a breakdown voltage of up to 400V when the current density is lower than 1A/cm 2is cre-ated with FGRs Œ10 .However,the FGR structure with different ring spacing and ring widths is difficult to optimize,and in-terface charges influence the breakdown voltage significantly,since we didn’t apply any passivation layer on the surface of the devices,so the reverse current in this work is a little higher correspondingly.The dominant mechanism of reverse current depends on the Schottky barrier height,temperature,applied voltage,sur-face status,and defects in the material.According to the tech-niques we employed during manufacture,the main reasons for a relatively high leakage current and low breakdown voltage are as follows:(1)Ti is used as the metal to form the Schottky ing the thermionic emission theory,the current through the SiC Schottky diode can be expressed byI D AAT 2exp  B kT ÃÄexp qVnkT1;(1)where A is the diode area,A is the Richardson’s constant, B is the Schottky barrier height,n is the ideality factor,and other constants have their usual meanings.The forward V –J characteristics of SBD and JBS diodes are shown in Fig.5.Calculated with Eq.(1),the barrier height formed in this work is 0.79eV ,which is smaller than that fab-ricated with Ni ( B D 1.26eV)Œ11 .(2)Multi-step ion implantation brought in damages in the space lattice.(3)The epilayer material deterioration in high temperature annealing,which was stated previously.To reduce the damage during a high-temperature activation anneal,AlN can be used to prevent silicon evaporation from the 4H-SiC surface Œ12 .4.SummaryThe process that fabricates a P-type ohmic contact inde-pendently has been employed to fabricate 4H-SiC JBS diodes.Fig.5.Forward V –J characteristics of SBD and JBS diodes.The influence of FGRs in the reverse characteristics of JBSdiodes has been studied.Results show that the JBS diodes with P-type ohmic contact fabricated independently have a better performance than those by the customary process and with P+regions doping concentration ( 1 1018cm 3)and window spacing (2.5 m),4H-SiC JBS diodes using FGRs termination have a reverse current density lower than 1 10 3A/cm 2be-low 100V .References[1]Jun W,Yu D,Bhattacharya S,et al.Characterization,modelingof 10-kV SiC JBS diodes and their application prospect in X-ray generators.IEEE ECCE,2009,20:1488[2]Yan G,Huang A Q,Agarwal A K,et al.Integration of 1200VSiC BJT with SiC diode.20th ISPSD,2008,18:233[3]Hull B A,Sumakeris J J,O’Loughlin M J,et al.Performance andstability of large-area 4H-SiC 10-kV junction barrier Schottky rectifiers.IEEE Trans Electron Devices,2008,55(8):1864[4]Feng Z,Mohammad M I,Biplob K D,et al.Effect of crystallo-graphic dislocations on the reverse performance of 4H-SiC p–n diodes.Mater Lett,2010,64(3):281[5]Lin Z,Chow T P,Jones K A,et al.Design,fabrication,and 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4H-SiC浮结型肖特基势垒二极管的数值模拟曹琳1),蒲红斌,周少将,胡永涛西安理工大学自动化系,西安7100481) Email:cl_zhifang@摘要本文采用数值模拟的方法对4H-SiC浮结肖特基势垒二极管的静态及动态特性进行了研究。
该器件可以在保证高的反向耐压的同时使正向导通电阻最小化,较好的解决了常规器件正向导通电阻和反向耐压间的矛盾。
模拟结果表明,相同条件下增加浮结使得击穿电压由2800V增加到4000V。
反向恢复特性表明器件具有软恢复特性,软度因子为0.949。
关键词碳化硅浮结肖特基势垒二极管软度因子1.引言随着3C、6H、4H-SiC体材料生长及外延技术的成熟,人们对SiC器件的研究和开发逐渐进入实用化阶段。
由于高压下碳化硅的肖特基势垒比硅薄,进一步提高碳化硅肖特基势垒二极管的阻断电压就会受到隧穿势垒的反向漏电流的限制。
计算可知,对于一个高度为1eV的SiC肖特基势垒与SiC临界击穿电场3MV/cm相对应的最高击穿电压下的势垒宽度只有3nm左右,这正好是发生电子隧穿的典型宽度。
为了充分发挥碳化硅临界击穿电场强度高的优势,可采用pn结肖特基势垒复合结构(JBS或MPS)来排除隧穿电流对实现最高阻断电压的限制。
随着SiC肖特基势垒二极管(SBD)的深入研究,要求我们在不牺牲阻断电压的同时,使正向导通电阻最小化,这就需要打破常规意义下肖特基二极管的设计思路。
近年来,基于电荷补偿原理提出的超结结构被不断提出并实现,对于超结型肖特基势垒二极管研究,1000V Si基器件已有报道[1],应用超结结构的典型产品是1998年德国西门子的英飞凌( Infineon) 公司推出的COOLMOS TM器件。
涉足SiC基肖特基势垒二极管研究,仅有美国Rensselaer理工研究所的T. Paul Chow和美国Rutgers大学的K.Sheng两个研究小组[2],且主要工作集中于器件结构模拟方面。
由于超结结构工艺实现比较困难[3-4],电荷补偿型器件要求电荷平衡,否则效果不尽人意,因而至今为止未见涉足SiC器件工艺方面的研究报道。
4H-SiC功率MOSFETs的可靠性研究引言:随着功率电子器件应用的广泛发展,越来越多的研究人员开始关注功率MOSFETs(金属氧化物半导体场效应晶体管)的可靠性问题。
近年来,4H-SiC(4H-碳化硅)功率MOSFETs因其优异的功率特性和高温工作能力而备受关注。
本文旨在综述现状,并讨论该领域的挑战和未来研究方向。
1. 4H-SiC功率MOSFETs的特性和优势4H-SiC材料具有高电子迁移率、高断电场和较低漏电流等优势,使其成为制造高性能功率器件的理想材料之一。
而功率MOSFETs作为常见的功率开关器件之一,具有快速开关速度、低导通电阻和低开关损耗的优点,因此在高压、高温和高功率应用领域具有广泛的应用前景。
2. 4H-SiC功率MOSFETs的可靠性问题然而,4H-SiC功率MOSFETs在长期运行和极端工况下可能出现可靠性问题。
其中,温度对器件可靠性的影响是最重要的因素之一。
高温环境下,4H-SiC材料的晶格缺陷和界面态等问题会极大地影响器件的性能和可靠性。
另外,温度升高还会导致封装材料和导线寿命的降低,可能引发器件失效。
此外,电压应力、电流应力和辐射等因素也可能对4H-SiC功率MOSFETs的可靠性产生负面影响。
3. 4H-SiC功率MOSFETs可靠性研究方法和结果为了研究4H-SiC功率MOSFETs的可靠性问题,研究人员采用了实验测试、模拟仿真和可靠性预测等方法。
实验测试方面,常用的方法包括温度循环测试、热老化测试和高温高湿测试等。
通过对器件在不同温度和湿度条件下的性能变化进行监测和分析,可以评估器件的可靠性。
模拟仿真方面,研究人员利用有限元分析、电热耦合模型和物理建模等方法,研究器件在不同载流工况下的热分布、应力分布和失效机理等。
可靠性预测方面,通过建立可靠性模型,结合器件的物理参数和环境因素,预测器件的可靠性和寿命。
4. 挑战和未来研究方向尽管4H-SiC功率MOSFETs具有很多优势,但其可靠性问题仍然是制约其应用的重要因素。
高压4H-SiC结势垒肖特基二极管的研究的开题报告题目:高压4H-SiC结势垒肖特基二极管的研究一、研究背景随着电力系统的发展和智能化程度的提高,对于高压、高温、高频、高性能功率电子器件的需求日益增加。
当前,SiC半导体材料作为一种新型的宽禁带半导体材料,因其高击穿电压、高热传导性能、高频能力以及高温性能等优良特性,被认为是代替传统硅材料的最有潜力的材料之一。
肖特基二极管(SBD)作为一种基础功率电子器件,具有反压小、开关速度快、漏电流小等优点,广泛应用于高压、高温、高速、高频等领域。
而基于SiC材料的肖特基二极管,由于SiC的优异特性,更能满足高性能功率器件的需求。
因此,研究SiC 材料的势垒肖特基二极管,对于SiC材料的开发和应用具有重要意义。
二、研究目的本次研究旨在研究高压4H-SiC结势垒肖特基二极管的特性和优化制备工艺,以实现性能的最大化。
具体任务包括:1.探究4H-SiC材料的物理、化学特性以及制备方法。
2.设计高压4H-SiC结势垒肖特基二极管的器件结构。
3.通过模拟计算,研究该器件的电学特性。
4.利用制备工艺优化方法,制备出高品质的器件。
5.分析实验结果,评估该器件的性能并探究其优化方法。
三、研究内容1. 4H-SiC材料的物理、化学特性和制备方法研究该部分主要包括对4H-SiC材料的物理、化学特性进行探究和分析,包括材料的微观结构、禁带宽度、载流子迁移率等,以及关联的制备方法。
2. 高压4H-SiC结势垒肖特基二极管器件结构设计该部分主要包括对高压4H-SiC结势垒肖特基二极管器件结构的设计和优化。
其中包括根据不同应用场景的要求,确定器件的尺寸和结构设计,包括肖特基结的尺寸、阳极结的尺寸等。
3. 电学特性的模拟计算该部分主要包括对高压4H-SiC结势垒肖特基二极管的电学特性进行模拟计算。
在软件仿真平台上进行电学仿真,得出器件的电学性能,包括开启电压、正向电阻、反向漏电流等。
4. 器件制备该部分主要包括制备高质量的高压4H-SiC结势垒肖特基二极管器件的制备工艺研究。
高性能4H-SiC IGBT器件设计与制备技术研究高性能4H-SiC IGBT器件设计与制备技术研究摘要:随着功率电子器件在领域中的广泛应用,高性能与高功率密度的要求对开关器件的设计与制备技术提出了更高的要求。
本文通过研究高性能4H-SiC IGBT器件的设计与制备技术,旨在提出一种能够满足高功率密度要求的新型开关器件。
引言:功率电子器件在能源转换、电动汽车、轨道交通等领域具有广泛的应用前景。
然而,传统的硅基功率器件在高温、高电压和高频率环境下的性能限制了其进一步的应用拓展。
为了满足高性能和高功率密度的需求,研究人员开始关注SiC材料,并探索了4H-SiC IGBT器件的设计与制备技术。
一、4H-SiC材料的特性及应用前景4H-SiC材料具有许多优异的特性,如高电子饱和速度、较大电子迁移率、高电热导率和宽禁带宽度等,使其成为理想的高功率密度器件材料。
与传统硅基器件相比,4H-SiC器件具有更低的开关损耗和更高的工作温度能力,有望满足高功率密度和高温要求。
因此,4H-SiC材料在高速列车、电动汽车和风电等领域具有较好的应用潜力。
二、4H-SiC IGBT器件的基本结构和工作原理4H-SiC IGBT器件由P型衬底、N型埋藏层、P型再衬底、P型基区、N型漏结区域及金属电极组成。
当施加正向电压时,通过向N型埋藏层注入大量电子,使得P型再衬底、P型基区与N型漏结区形成PN结。
当施加负向电压时,PN结处于截止状态。
在导电状态下,通过P型基区的注入负载,实现将电流从漏结区到基区,从而实现4H-SiC IGBT器件的开启和关闭。
三、高性能4H-SiC IGBT器件的设计与优化(一)优化器件结构:通过调整器件结构的参数,如掺杂浓度、厚度等,来改善器件的性能。
优化后的4H-SiC IGBT器件具有更低的导通电阻和更高的截止电压。
(二)优化材料特性:选择合适的4H-SiC材料,通过优化沉积和退火工艺,来改善电子迁移率和载流子浓度,从而提高器件的性能。
4H—SiC肖特基二极管载流子输运的温度效应作者:童武林孙玉俊刘益宏赵高杰陈之战来源:《上海师范大学学报·自然科学版》2015年第04期摘要:以Cree公司生产的碳化硅肖特基二极管为研究对象,对其进行IV测试.通过对实验数据的理论模拟,研究了碳化硅肖特基二极管的载流子输运机理及温度效应.研究结果表明:温度升高,碳化硅肖特基二极管的肖特基势垒高度降低,漏电流急剧增加.正向导通时符合热电子发射机理,镜像力和隧穿效应共同作用使得反向偏压下的漏电流增加并能较好地和实验值相一致.关键词:碳化肖特基二极管;热电子发射;镜像力;隧穿效应;温度中图分类号: TN 303 文献标志码: A 文章编号: 10005137(2015)040430050 引言碳化硅(SiC)材料的宽禁带、高热导率、高饱和电子漂移速度、高击穿电场等特性决定了其在高温、大功率领域的巨大应用潜力,对国民经济和国防建设将起到重要的推动作用.SiC 存在很多多型结构,其中最常见的是具有立方闪锌矿结构的3CSiC(又称(β-SiC)和六方纤锌矿结构的4HSiC和6HSiC(又称α-SiC)[1].4HSiC耐受温度高达1580 K,器件具有优良的高温工作特性,减少或去除设备中的冷却散热系统,使系统小型化.目前,美国、欧盟、日本等发达国家正竞相投入巨资对SiC材料和器件进行研究.在SiC功率器件中,肖特基二极管(SBD)因其优异的性能而备受关注.美国国防部从20世纪90年代就开始支持SiC功率器件的研究,1992年就研制出阻断电压为400 V的SiC SBD.SiC SBD于21世纪初成为首例市场化的SiC电力电子器件.由于SBD在导通过程中没有额外载流子的注入和储存,因而反向恢复电流小、关断过程很快、开关损耗小.由于所有金属与硅(Si)的功函数差都不很大,因此传统的Si SBD的肖特基势垒较低,反向漏电流偏大,阻断电压较低,只能用于一二百伏的低电压场合,且工作温度不能超过423 K.SiC SBD弥补了Si基SBD的不足,许多金属(如镍、金、钯、钛、钴、钼等)都可以与SiC形成势垒高度超过1 eV的肖特基接触[2-3],因此是高压快速与低功率损耗、耐高温相结合的理想器件.由于器件本身在工作时会产生热量,导致器件的温度变化,温度对器件中载流子的运动与分布会产生影响,从而影响器件的性能,因此对于SiC SBD的输运机理及温度效应的研究十分必要[4].1 实验本实验研究所用器件是Cree公司出售的SiC SBD,产品型号为C3D08065I,基本参数如下:反向重复峰值电压为650 V,398 K下的连续正向电流为8 A,室温下的最大耗散功率约为48 W[5].采用4200SCS半导体参数分析仪,通过引脚测量SiC SBD的IV曲线,测量电压范围为-200~1 V(反向200 V为最大量程),测量温度为300、350、400、450 K(其中反向测量到500 K).通过查阅相关文献资料,获得SiC SBD的基本参数,根据半导体理论,对测试数据进行拟合分析,研究导通机理及温度效应.2 结果与讨论图1是300、350、400、450 K温度下测试得到的正向IFVF曲线.当所加正向电压较大时,根据二极管的折线模型,该段IV特性曲线可以用线性进行拟合,通过与VF轴的截距可得到正向导通电压.图1插图是正向导通电压与温度的关系,当温度升高时,正向导通电压呈线性下降趋势.由拟合数据可知,温度每升高1K,正向导通电压就降低0.00181 V,300 K时的正向导通电压为0.80 V,450 K时的正向导通电压下降到0.53V.通过温度对导通电压的影响关系曲线有利于设置正常的工作电压范围.必须指出的是,通过上述方法提取理想因子n和肖特基势垒高度ns有一个优点,即它与肖特基有效电学接触面积无关.根据图1测试的IF-VF数据,做出不同温度下的ln JF-VF曲线,利用公式(3)和(4),可求出不同温度下的理想因子n和势垒高度ns,它们随温度的变化规律如图2所示.在室温时,n最小为1.12,350 K时n达到最大为1.19,400 K和450 K时的n值为1.16和1.17.在测量温度范围内,SBD的理想因子都大于1,但温度的变化对n值影响不大,说明正向导通时以热电子发射机理为主.随着温度升高,载流子浓度升高,肖特基势垒高度明显降低,从室温下的1.26 eV降低到450 K时的0.89 eV.外加反向电压时,当测试温度在300、350和400 K时,漏电流很小,小于测试系统的分辨极限,因此无法获得这3种温度下漏电流的精确大小,因此当温度小于400 K时,器件的漏电流应小于10-9A量级.450和500 K时的IRVR曲线如图3所示,黑线代表实测的IRVR曲线.温度对漏电流的影响十分明显,450 K时漏电流在10-6~10-7A量级,而在500 K时,漏电流则增大到10-5~10-6A量级.如果SiC SBD完全遵循热电子发射机理,反向电流为恒定值,显然与随着负偏压的增加漏电流逐渐增大的实验事实相悖.可以看出,考虑镜像力后拟合值和实测值的拟合度较高,表明反向偏压时镜像力对反向电流产生较大影响,肖特基势垒降低导致漏电流随反向偏压的增加而迅速增大.但是当反向偏压大于150 V后,实验测试得到的漏电流比仅考虑镜像力拟合得到的漏电流要大得多.为了解释150 V后漏电流迅速增大的原因,有必要考虑隧穿效应对漏电流的影响[8].隧穿效应的热电子场发射模型导致势垒降低效应与金属—半导体界面处电场的平方成正比.结合热电子发射模型,考虑镜像力和隧穿效应后的漏电流密度表示为:其中CT为隧穿系数(4×10-13cm2·V-2).由式(8)得到拟合曲线(图3中用长虚线表示).从图3中看到,考虑镜像力和隧穿效应时测量值和理论拟合符合得很好.因此除了肖特基势垒降低导致的漏电流增大,考虑隧穿效应后在反向电压大于150 V时与实验观测得到的结果一致,即漏电流急剧增大与隧穿效应有关.由于反向高压和高温都会使漏电流剧增,故必须考虑到漏电流随温度升高而增大的情况,保证器件的反向功耗保持在通态功耗下,确保器件能够稳定工作.3 结论通过对碳化硅肖特基二极管的载流子输运特性的变温测量和数据拟合分析,得出如下的结论:(1)正向导通时载流子输运以热电子发射为主.随着器件工作温度升高,导通电压呈线性下降趋势,肖特基势垒高度降低明显.(2)反向漏电流强烈依赖器件温度,随着器件温度的升高,漏电流急剧增大.在温度一定时,反向偏压较小时,镜像力对反向电流有较大影响,反向偏压较大时,隧穿效应引起的漏电流增大是主要原因.参考文献:[1]NENNEWITZ O,SPIESS L,BRETERNITZ V.Ohmic contacts to ptype 6Hsilicon carbide[J].Appl Surf Sci,1995,91(1):347-351.[2]YOSHIDA S,SASAKI K,SAKMMA E,et al.Schottky barrier diodes on 3CSiC[J].Appl Phys Lett,1985,46:766-768.[3]NAKAMURA T,MIYANAGI T,KAMATA I,et al.A 4.15 kV 9.07 mΩ·cm 4HSiC Schottkybarrier diode using Mo contact annealed at high temperature[J].IEEE Electron Dev Lett,2005,26(2):99-101.[4]ACHARYA Y B.Effect of temperature dependence of band gap and device constant on IV characteristics of junction diode[J].Solidstate Electronics,2001,45(7):1115-1119.[5]TONG W L,SUN Y J.C3D08065I Silicon Carbide Schottky Diode ZRecTMRectifier[EB/OL].[20140923],http:///power.[6]ITOH A,KIMOTO T,MATSUNAMI H.Efficient power Schottky rectifiers of4HSiC[C]//Proceedings of 1995 International Symposium on Power Semiconductor Devices & Ics Yokohama:the Institute of Electrical Engineers of Japan,1995,101-106.[7]SZE S M.Physics of Semiconductor Devices[M].2nd ed,New York:Wiley,1981.[8]HATAKEYAMA T,SHINOHE T.Reverse characteristics of a 4HSiC Schottky barrier diode[C].Pfaflicon,Switzerland:Trans Tech Publication Inc,2002,389-393:1169-1172.Abstract: In this paper,the currentvoltage (IV) measurement under different temperatures was carried out on the 4HSiC Schottky barrier diode (SBD) purchased from Cree Inc.The carrier transport mechanism and the temperature effect of SBD were investigated through the theoretical simulation based on the experimental data.The Schottky barrier height is decreased and leakage current is increased sharply for SBD when the temperatures are increased.The SBD forward bias obeys the hot electron emission mechanism.Taking the image force correction and tunneling effect into consideration,the high leakage current under reverse bias can be reasonably explained and is good agreement with the experiment results.Key words: silicon carbide Schottky diode; thermionic emission; image force; tunneling effect; temperature(责任编辑:顾浩然,包震宇)。