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晶闸管结终端结构的仿真研究

晶闸管结终端结构的仿真研究

作者：张璐西安电子科技大学

学位级别：硕士

功率半导体器件是电力电子技术的基础与核心,其具有高耐压、大通流的特点,提高功率半导体器件的耐压水平是一项重要的任务。功率半导体器件的结终端结构是器件的重要组成部分,该部分结构需要合理设计,这样能够提高功率半导体器件的性能... 详细信息

功率半导体器件是电力电子技术的基础与核心,其具有高耐压、大通流的特点,提高功率半导体器件的耐压水平是一项重要的任务。功率半导体器件的结终端结构是器件的重要组成部分,该部分结构需要合理设计,这样能够提高功率半导体器件的性能。晶闸管是功率半导体器件中的一种,其高耐压和大通流是业界在进行电力系统的建设、一些电力电子装置发展的必要因素。对于晶闸管的技术要求依然在持续提高,并从晶闸管的派生器件中,寻找到了适合业界发展的器件,比如IGCT(集成门极换流晶闸管)等。本文在研究普通晶闸管工作原理的基础上,对晶闸管结终端结构进行了机理分析。晶闸管的击穿电压决定了器件的耐压水平,未做结终端造型的晶闸管,在很低电压下就会击穿,使得整个器件无法达到设计的阻断电压的要求。因此在晶闸管的设计中,也是要非常重视结终端结构这一部分。在各种结终端结构中,有适合晶闸管的结构,也有不适合晶闸管的结构,然而结终端结构不是一个固定的结构,而是需要根据实际情况进行改进,比如斜角的角度需要进行合适的选择,并且斜角的具体位置也会对晶闸管的性能产生影响。对于晶闸管结终端结构进行的改进必须考虑其性能是否达到要求,还要考虑工艺条件是否允许,这就需要综合考虑各方面因素,才能更好地设计结终端结构。本文对晶闸管的几种结终端结构进行论述,主要是斜角终端结构,其中包括正负斜角终端结构、类台面结构、双正斜角终端结构以及双负斜角终端结构等,这些结构适用于不同类型的晶闸管。之后对仿真工具进行了介绍,对Silvaco TCAD进行了详述,之后设计一款晶闸管的基本参数,这些参数能够在仿真时根据具体结构进行设计,确定了P、N、P、N四层结构的厚度与掺杂浓度,以提高仿真的可对比性和可行性。并且将各种斜角终端结构作用于所设计的晶闸管四层结构中,进行仿真,得到表面电场强度低于体内电场强度的验证,并且对各种斜角终端结构的优劣进行简要对比,以供制造工艺进行参考。本文在场限环-负斜角复合结终端结构的基础上,设计场限环-类台面复合结终端结构,并对其进行仿真,同时将其与场限环-负斜角复合结终端结构进行对比,并做出分析。以上工作基本涵盖了能够应用于晶闸管的结终端结构,并且对于晶闸管结终端结构的工艺特点也进行了简要的叙述,对本文研究工作做了总结,阐述了未来研究工作设想,为晶闸管提升性能贡献出自己的一份微薄之力。

关键词：晶闸管结终端结构斜角边缘终端击穿电压仿真

6.5kV SiC PiN二极管特性及其可靠性研究

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6.5kV SiC PiN二极管特性及其可靠性研究

作者：郭国强电子科技大学

学位级别：硕士

第三代半导体材料碳化硅(SiliconCarbide,SiC)由于禁带宽度宽、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场高以及热导率高等出色的材料特性，受到了广泛的关注和研究。SiCPiN二极管拥有较高的击穿电压，大电流时导通压降较低，非常适合应用在高... 详细信息

第三代半导体材料碳化硅(SiliconCarbide,SiC)由于禁带宽度宽、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场高以及热导率高等出色的材料特性，受到了广泛的关注和研究。SiCPiN二极管拥有较高的击穿电压，大电流时导通压降较低，非常适合应用在高压大电流领域。目前3.3kV以上的SiC功率二极管还未实现商业化，所以高压SiCPiN二极管有着重要的研究价值。本文以6.5kVSiCPiN二极管为研究对象，采用SilvacoTCAD仿真设计平台完成了器件元胞和结终端结构的模拟分析，确定了最优化的关键结构参数，基于国内SiC工艺平台对器件完成了流片实验，并对实验样品开展了测试分析和可靠性试验研究。主要内容分为以下三个部分：　　首先，基于半导体基础理论对SiCPiN二极管工作原理进行了概述，并介绍了功率器件中存在的曲率效应以及传统结终端结构的基本工作原理，此外，还对仿真分析中的关键物理模型进行了讨论，结合以往流片实验数据确定了模型参数。　　其次，借助SilvacoTCAD开展了6.5kVSiCPiN二极管结终端结构的设计优化研究，主要针对多环调制结终端扩展(JunctionTerminalExtension,JTE)结构和沟槽调制JTE结终端结构，对比分析了两种结终端结构的关键参数与击穿电压的相互关系，最终确定了结终端结构的最优化参数。多环调制JTE结构的结终端效率高达97%，相比传统双区JTE结构提高了15%，同时离子注入剂量窗口提升了129%。沟槽调制JTE结构结终端效率可达92%，离子注入剂量窗口相比多环调制JTE结终端结构提升了50%，且结终端长度仅为210μm，缩短了29%。此外，本文还分析讨论了SiC/SiO2界面电荷对结终端结构阻断特性的影响。　　最后，基于国内SiC工艺平台，对采用多环调制JTE结终端结构的6.5kVSiCPiN二极管进行了流片实验，并开展了样品的测试分析和可靠性试验研究。测试结果表明，器件在正向导通电流密度100A/cm2时的导通压降为3.6V，最大击穿电压可达8046V，结终端效率为93%。高温反偏试验后发现器件击穿电压下降约700~1000V，结合界面电荷对结终端结构影响的仿真分析结果，阐述了高温反偏下器件的击穿电压退化机理。6.5kVSiCPiN二极管经过功率循环试验后，导通压降的变化幅度小于3%。对器件持续施加24小时的10~30A正向电流应力后发现，器件导通压降在10A和20A电流应力下几乎没有变化，而在30A电流应力下增大了0.23V，出现了较明显的双极退化现象。

关键词： PiN二极管碳化硅结终端结构可靠性试验

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4H-SiC肖特基二极管及结终端技术研究

4H-SiC肖特基二极管及结终端技术研究

作者：闫彦飞河北工业大学

学位级别：硕士

采用宽禁带半导体材料4H-SiC制作的肖特基势垒二极管SBD具有PN结二极管无法比拟的优越特性。国外对4H-SiC材料及其器件的研制和分析已经有了诸多报道,而国内在这方面的研究起步较晚,研究成果的相关报道较少。因此开展4H-SiC SBD器件研... 详细信息

采用宽禁带半导体材料4H-SiC制作的肖特基势垒二极管SBD具有PN结二极管无法比拟的优越特性。国外对4H-SiC材料及其器件的研制和分析已经有了诸多报道,而国内在这方面的研究起步较晚,研究成果的相关报道较少。因此开展4H-SiC SBD器件研究有重要的意义。在此背景下,本文对4H-SiC SBD器件的主要电学特性进行了系统研究,主要研究成果如下:1、为了解决由于4H-SiC SBD器件近表面的电场集边效应造成的器件击穿特性变差的问题,采用加入结终端结构的方法来降低器件近表面的强电场,提高器件的击穿电压。在掌握结终端结构分类的基础上,确定采用延伸型终端结构来优化4H-SiC SBD器件的反向击穿特性。2、实现加入不同结终端结构的器件仿真。利用Silvaco TCAD软件对器件进行仿真。首先仿真了加入两级场限环结构的4H-SiC SBD器件,该结构的敏感参数有环间距、环的注入结深和环区掺杂浓度,仿真确定的最优值环间距为3μm,结深为0.4μm,掺杂浓度为1×1017cm-3,环宽为10μm,此时器件的击穿电压为1200V。针对场限环结构对器件界面电荷很敏感的问题,在场限环结构基础上,仿真了加入场板结构的器件特性,场板结构的敏感参数为场板长度,仿真确定其最优值为20μm,此时器件的击穿电压可到达1350V。然后仿真了加入结终端扩展JTE结构的器件,该结构的敏感参数有JTE结构长度,注入结深和掺杂浓度,仿真确定其最优值长度为30μm,结深为1.0μm,掺杂浓度为1×1018cm-3,在此情况下器件的击穿电压达到1500V。3、通过对比加入不同结终端结构器件的模拟仿真结果,可以看出与两级场限环结构器件以及场限环和场板复合结构器件相比,加入JTE结构的器件击穿特性更好。因此实验制作了加入JTE结构的4H-SiC SBD器件。二次离子质谱法SIMS测试得到实验器件JTE结构区Al离子在0.9μm范围内的掺杂浓度为1018cm-3量级;Keithley4200半导体参数测试仪测试了器件的正反向电流-电压特性曲线,得到器件在正向电流为0.7A时开启电压为0.9V,反向漏电流为10μA时击穿电压为1200V;从器件的反向恢复特性曲线可知器件的反向恢复时间仅为25ns。

关键词： 4H-SiC SBD 结终端结构 Silvaco仿真反向击穿特性 JTE结构

4H-SiC BJT功率器件特性及结终端技术研究

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4H-SiC BJT功率器件特性及结终端技术研究

作者：毕胜赢西安电子科技大学

学位级别：硕士

碳化硅(SiC)材料以其具有宽禁带、高热导率、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度等优良特性,在大功率器件领域扮演着越来越重要的角色,在电力电子系统中拥有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。同时4H-SiC BJT由于很好地弥补了Si基双极... 详细信息

碳化硅(SiC)材料以其具有宽禁带、高热导率、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度等优良特性,在大功率器件领域扮演着越来越重要的角色,在电力电子系统中拥有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。同时4H-SiC BJT由于很好地弥补了Si基双极型晶体管的缺陷,而且不存在4H-SiC MOSEFT氧化层界面稳定性及沟道迁移率问题,越来越受到人们的重视。因此,对4H-SiC BJT功率器件的研究有着十分重要的意义。本论文以4H-SiC BJT功率器件特性研究为目的,主要进行了以下方面的工作：首先从4H-SiC BJT基本工作原理出发,利用半导体器件仿真工具Sentaurus TCAD 2010建立了器件的物理模型,给出了主要材料参数,对4H-SiC BJT功率器件的特性进行了模拟仿真。对SiC/SiO2钝化层界面态密度,发射区掺杂浓度对器件性能的影响进行了研究。对发射区宽度WE,发射区到基极的距离WP对4H-SiC BJT电流增益的的影响及主要作用机制进行了分析,并提出增加发射区到基极下方基区掺杂浓度,采用双外延层基区及高斯缓变基区等优化方案减小Wp对器件电流增益的影响。其次研究了温度对垂直型4H-SiC BJT性能的影响,分析了常温(300K)和高温(473K)下大注入效应对器件性能的影响。同时,将垂直型和平面型BJT的大注入效应进行了对比,研究结果表明,平面型BJT受到集电区电子大注入的影响比垂直型BJT更加显著,随正向偏置的增加,平面型BJT电流增益下降更快,相同基极驱动电流下的输出电流也更小,提高集电区掺杂浓度可以有效减小集电区电子大注入对器件电流增益的影响。最后对垂直型和平面型4H-SiC BJT的击穿特性和结终端技术进行了研究,对比了垂直型和平面型两种类型的4H-SiC BJT击穿特性。考察了集电区掺杂浓度和基区厚度等器件参数对击穿电压的影响并对其进行了优化。对采用JTE和FFLRs两种基本结终端结构的器件击穿特性进行了分析,对JTE和FFLRs掺杂浓度、离子注入深度、JTE长度、环宽度、环间距、环个数等结终端结构主要参数进行了优化设计。在此基础上,提出了阶梯型JTE结构和JTE+场限环复合结构两种平面型4H-SiC BJT结终端新结构。研究表明,优化后的新型结终端结构相比于常规结终端结构能够更好地调制器件的表面电场,获得更高的击穿电压,器件最大击穿电压可达到3700V以上。同时,在相同耐压等级的情况下,平面型BJT相比垂直型BJT,漂移区掺杂浓度可以更高,基区可以更薄,结终端结构掺杂浓度也可以大大降低,证明平面型4H-SiC BJT在高压、大功率领域拥有不错的应用前景。

关键词： 4H-SiC BJT 尺寸结构电流增益结终端结构击穿电压

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功率半导体器件表面钝化技术综述

电子科技 2017年第12期30卷 130-135页

作者：郭勇吴郁金锐李立李彭刘晨静北京工业大学信息学部北京100124 全球能源互联网研究院北京102209

表面钝化技术是半导体器件制造过程中的重要工艺环节,对器件的电学特性和可靠性有重要影响。文中侧重于功率器件领域,回顾了各种高压结终端所需的不同钝化工艺,包括平铺叠加的复合介质膜、有机聚合物覆盖、玻璃或有机聚合物填充等。综... 详细信息

表面钝化技术是半导体器件制造过程中的重要工艺环节,对器件的电学特性和可靠性有重要影响。文中侧重于功率器件领域,回顾了各种高压结终端所需的不同钝化工艺,包括平铺叠加的复合介质膜、有机聚合物覆盖、玻璃或有机聚合物填充等。综述了钝化工艺中所采用的各种钝化材料的性质和功能,给出了它们在功率器件结构中的典型数据,包括二氧化硅、磷硅玻璃、氮化硅、氮氧化硅、三氧化二铝、半绝缘多晶硅、聚酰亚胺(PI)、玻璃料等,并对新近用于钝化的苯并环丁烯、氢化无定形碳化硅和氢化无定形碳等材料进行了介绍和展望。

关键词：功率器件钝化工艺结终端结构钝化材料

耐高压大电流IGBT管芯的设计与工艺关键技术研究

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绍兴文理学院学报 2014年第8期34卷 4-8页

作者：朱国夫余庆李晓敏章志明周家泉绍兴市华越微电子有限公司浙江绍兴312000 国家纺织机械质量监督检验(绍兴)中心浙江绍兴312000 浙江方圆机电有限公司浙江绍兴312000

IGBT广泛应用于电子、新能源、铁路交通、智能电网等领域.由于难以克服IGBT关键的减薄工艺与背面集电极工艺难题,1 200 V以上的耐高压IGBT领域还是少有产品问世.文章主要研究1 700 V高压的IGBT管芯结构设计和制造的关键工艺,包括双面深... 详细信息

IGBT广泛应用于电子、新能源、铁路交通、智能电网等领域.由于难以克服IGBT关键的减薄工艺与背面集电极工艺难题,1 200 V以上的耐高压IGBT领域还是少有产品问世.文章主要研究1 700 V高压的IGBT管芯结构设计和制造的关键工艺,包括双面深结扩散工艺、背面透明集电极工艺、结终端结构设计及版图设计等.这些关键技术的应用提升了IGBT管芯的耐高压性能和工作稳定性、可靠性.

关键词： IGBT 双面深结扩散背面透明集电极结终端结构

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高压功率VDMOSFET的设计与研制

山西电子技术 2010年第4期 91-93页

作者：耿凯鸽西安卫光科技有限公司

按照功率VDMOSFET正向设计的思路,选取（100）晶向的衬底硅片,采用多晶硅栅自对准工艺,结合MEDICI器件仿真和SUPREM-4工艺仿真软件,提取参数结果,并最终完成工艺产品试制,达到了500 V/8 A高压、大电流VDMOSFET的设计与研制要求。结果证... 详细信息

按照功率VDMOSFET正向设计的思路,选取（100）晶向的衬底硅片,采用多晶硅栅自对准工艺,结合MEDICI器件仿真和SUPREM-4工艺仿真软件,提取参数结果,并最终完成工艺产品试制,达到了500 V/8 A高压、大电流VDMOSFET的设计与研制要求。结果证明,通过计算机模拟仿真,架起了理论分析与实际产品试制之间的桥梁。相对于原来小批量投片、反复试制的方法,不仅节约了时间,降低了研制成本,而且模拟结果与实际试制结果之间能够较好地吻合。针对传统结终端结构的弊端,提出了一种新型结终端结构,大大提高了产品的击穿电压和可靠性。

关键词：功率VDMOSFET 计算机模拟仿真结终端结构