大功率碳化硅PiN二极管击穿特性的模拟研究

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日期：幽睥Ｌ丛
第一章绪论
第 弟一章 早 绪 三百 论 下匕
１．１碳化硅材料的特性
长期以来，在制造半导体器件的材料中，硅（Ｓｉ）材料一直居于统治地位。随着 电子科技的不断发展和进步，半导体器件的性能也需要不断提高，硅基器件的性 能开始逐渐接近极限。同时，电子器件越来越多的工作在如航天、航空、军事、 高温、高压等场合，在这些应用场合中器件需要忍受异常严酷的环境条件，这也 使得硅基器件的表现越来越捉襟见肘，表１．１列出了这些领域中当前和未来对半导 体器件工作温度的要求。这些都促使人们将目光转向了性能更佳的宽禁带半导体 材料，碳化硅（ＳｉＣ）就是人们较为熟悉的一种第三代半导体材料。碳化硅是间接 带隙半导体，具有很强的化学惰性和坚硬度，具有近两百种不同的结晶结构，其 中常见的有３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ和１５Ｒ型。
关键词： 碳化硅ＰｉＮ二极管 击穿电压 结终端技术
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｏ Ｓｉ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＳｉＣ，ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌ，
ｈａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｂａｎｄ—ｇａｐ，ｈｉｇｈｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ
大功率碳化硅pin二极管击穿特性的模拟研究二极管击穿发光二极管击穿电压二极管反向击穿二极管反向击穿电压二极管被击穿稳压二极管反向击穿稳压二极管软击穿大功率二极管大功率激光二极管
摘要
摘要
与硅材料相比较，第三代宽禁带半导体碳化硅材料具有更高的禁带宽度、更 高的热导率和更高的载流子饱和速率，使得碳化硅ＰｉＮ二极管能够更好地应用于 高温、高频和高功率场合。碳化硅ＰｉＮ二极管具有大正向电流、高击穿电压、低 漏电流以及高开关速度等特性。
碳化硅（ＳｉＣ）具有宽禁带（Ｓｉ的３倍）、高热导率（Ｓｉ的３．３倍）、高的临界 击穿电场（Ｓｉ的１０倍）、高饱和电子迁移率（Ｓｉ的２．５倍）以及高键合能等优点， 这就使得碳化硅材料可以很好地适用于高性能（高频、高温、高功率、抗辐射） 电子器件。高的热导率有利于大功率器件的热耗散和高密度集成；高的载流子饱 和迁移速率可以使之应用于高速开关器件；高的临界位移能使碳化硅器件的抗辐 射性能优于Ｓｉ器件【ｌＪ。
ＦＰ＋ＪＴＥ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｃａｎ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｈａｒｇｅ．Ａ ｎｅｗ ｅｄｇｅ
ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ（ＪＴＥ—ｌｉｋｅ）ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｃｈ Ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｓｔｉｃｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｌａｒｇｅ ｆｏｒｗａｒｄ ｃｕｒｒｅｎｔ、ｈｉｇｈ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ、ｌｏｗ ｌｅａｋａｇｅ
ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｈｉ曲ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｐｅｅｄ．
Ｓｕｆｆｅｒｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｃｒｏｗｄｉｎｇ，ＳｉＣ ＰｉＮ ｄｉｏｄｅｓ ａｒｅ ｈａｒｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ａｎ
ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ５０Ａ／ｃｍ２ ｉｓ ａｂｏｕｔ ２．８４Ｖ ａｔ ３００Ｋ．Ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｈａｖｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ａｄｏｐｉｎｇ ｄｏｕｂｌｅ ｐ＋ｌａｙｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒｗａｒｄ ｃｕｒｒｅｎｔ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｄ％ａｔ ａ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ５０Ａ／ｃｍｚ ｉｓ ａｂｏｕｔ
２．６７Ｖ ａｔ ３００Ｋ．
Ｔｈｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ＳｉＣ ＰｉＮ ｄｉｏｄｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ ａｂｏｕｔ １ ２００Ｖ ｗｉｔｈｏｕｔ ｅｄｇｅ ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｆｉｅｌｄ ｐｌａｔｅ，Ｆｉｅｌｄ
ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｉｄｅａｌ ｒｅｖｅｒｓｅ
ｖｏｌｔａｇｅ．Ｐｌａｎａｒ ｐｌａｎｅ ｅｄｇｅ ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｃａｌｌ ｒｅｌｅａｓｅ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｃｒｏｗｄｉｎｇ．
Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｈｏｗ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ＳｉＣ ＰｉＮ
本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
表１．１ 当前与未来半导体器件工作温度的比较
应用领域 汽车电子
航空 航天 石油探井 地热开发 功率电子
当前１７５ ２００ １２５
未来工作温度（℃） １６５～２５０
２００ ５００ １７５ ２５０～２６０ ２５０～５００
可靠性（小时）
１０，０００ １０，０００ ｌ ０，０００－３０，０００ １０，０００－３０，０００ １ ０，０００—３０，０００ ｌ ０．０００—３０．０００
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
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关于使用授权的声明
本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，‘发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密的论文在 解密后遵守此规定）
ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＰｉＮ ｄｉｏｄｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳｉＣ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃａｌｌ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ
ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｉｔ ｈａｓ ｓｈｏｗｎ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ
二、针对本文采用的器件结构参数（理论击穿电压约１９００Ｖ），不采用任何结 终端技术的碳化硅ＰｉＮ二极管击穿电压只有１２００Ｖ左右，采用结终端后（场板、 场限环和结终端扩展），击穿电压可以提高到１７００Ｖ以上。总结了场板参数、场限 环参数和结终端扩展参数与器件反向击穿电压的关系。
三、研究了场限环辅助场板（ＦＬＲ＋ＦＰ）和场板辅助结终端扩展（ＦＰ＋ＪＴＥ）这两种 复合平面结终端技术。应用场限环辅助场板技术时，场板尖角峰值电场可以得到 明显缓解。应用场板辅助结终端扩展技术时，二极管击穿电压约为１７５０Ｖ（无场 板辅助时约为１６６０Ｖ），提高了将近１００Ｖ。界面电荷会降低二极管的击穿电压， 当界面电荷为３×１０ｂｃｍ。２时，击穿电压降低２５０Ｖ；辅以场板（长度为１０Ｉ＿ｔｍ）后， 击穿电压只降低１００Ｖ，证明场板具有抑制界面电荷的作用。提出一种类似ＪＴＥ结 终端技术，模拟结果显示，类ＪＴＥ技术提高击穿电压能力跟ＪＴＥ技术相当，但不 需要像ＪＴＥ那样耗费大量的芯片面积。
约为４５～－９０ｅＶ。这使得碳化硅材料具有很高的抗辐射能力和抗电磁波冲击（ＥＭＰ： ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃ Ｐｌｕｓｅ）能力。
表１．２ 室温下几种半导体材料特性的比较
禁带宽度（ｅＶ）
４Ｈ．ＳｉＣ ３．２６
ＳｉＣ ６Ｈ．ＳｉＣ
３．Ｏ
３Ｃ．ＳｊＣ ２．２
Ｓｉ １．１２
本征载流子浓度 Ｎｉ（ｃｍ‘３）
临界击穿电场 （Ｖ／ｃｍ） 热导率
（Ｗ／ｃｍ·Ｋ、 饱和速率（ｃｍ／ｓ）
８．２×１０’９
４×１０６ ４．９
２×１０ ７
２．３×１０－６
４×１０６ ４．９
２×１０ ７
６．９
１×１０７
４Ｘ １０６ ４．９
２×１０’
２．５×１０６ １．５
１×１０７
介电常数
９．７
９．７
９．７
１１．８
溶点（℃）
＞２１００（升华） ＞２１００（升华） ＞２１００（升华） １６９０
ｖｏｌｔａｇｅ ｊｕｓｔ ｌｉｋｅ ｃｌａｓｓ ＪＴＥ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｂｕｔ ｃｏｎｓｕｍｅ ｌｅｓｓ ｃｈｉｐ ａｒｅａ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ ＰｉＮ ｄｉｏｄｅｓ Ｅｄｇｅ ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ
Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ
创新性声明
由于碳化硅材料的带隙很宽（４Ｈ型碳化硅在室温下约为３．２６ｅＶ），碳化硅器件 能够在很高的温度下工作而不至于因为本征载流子激发导致器件性能失效。碳化 硅材料在发生雪崩击穿前所能够忍受的极限电场是硅材料和砷化镓（ＧａＡｓ）的５～
２
大功率碳化硅ＰｉＮ二极管击穿特性的模拟研究
２０倍１２１。这一高极限电场可以用来制造高压、大功率器件。 另外，碳化硅材料也具有很高的临界位移能（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｅｎｅｒｇｙ），
ＦＰ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ（ＦＬＲ＋ＦＰ）．Ｔｈｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ＰｉＮ ｄｉｏｄｅ ｉｓ ａｂｏｕｔ １ ７５０Ｖ谢ｍ
ＦＰ·Ａｓｓｉｓｔｅｄ ＪＴＥ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ（ＦＰ＋ＪＴＥ），ａｎｄ ｏｎｌｙ １ ６６０Ｖ ｗｉｔｈｏｕｔ ＦＰ ａｓｓｉｓｔｉｎｇ．Ａｌｓｏ ｔｈｅ
ｄｉｏｄｅｓ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：
ｎｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ＳｉＣ ＰＩＮ ｄｉｏｄｅ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ Ｉ－Ｖ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ＩＳＥ－ＴＣＡＤ．１１１ｅ ｆｏｒｗａｒｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｏｐ珞ａｔ ａ ｃｕｒｒｅｎｔ
Ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ｒｉｎｇ ａｎｄ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ，ａｎｄ ｉｔ Ｃａｎ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｏ １ ７００Ｖ ｏｒ
ｈｉｇｈｅｒ、Ⅳｉｔｈ ｅｄｇｅ ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｓ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ
电子迁移率 （ｃｍ２／Ｖ·ｓ１ 空穴迁移率 （ｃｍ２Ｎ·ｓ１
１０２０ １１５
６００ ４０
１０００ ４０
１４００ ６００
ＧａＡｓ １．４３
１．５×１０】ｏ
３．０×１０６ ０．５
１×１０７ １２．８ １５１０ ８５００ ４００
表１．２列出了碳化硅与主要半导体材料在室温下的材料参数。从表中可以看出 碳化硅与砷化镓相对硅具有更优良的特性，因此这两种材料能够制作高温高压大 功率器件。在宽禁带半导体材料中，碳化硅是最有希望首先取得突破，因为ＳｉＣ 是除了Ｓｉ以外唯一能够热氧化生长Ｓｉ０２的半导体，而且ＳｉＣ器件工艺和设备都与 Ｓｉ器件有很强的兼容性。碳化硅高的临界击穿电场使其漂移区的电阻减少２００倍， 从而使高压器件的导通电压比目前所有的硅功率器件（ＩＧＢＴ、ＳＢＤ、ＰｉＮ）都小得多
ｅｄｇｅ ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｒｅｖｅｒｓｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．
Ｔｈｅ ｐｅａｋ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ＦＰ ｃａｎ ｂｅ ｅａｓｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｗｉｔｈ ＦＬＲ－Ａｓｓｉｓｔｅｄ
电场集中效应是造成平面型碳化硅ＰｉＮ二极管反向击穿电压难以达到Ｐ．ｎ结理 想击穿电压值的主要原因。平面结终端技术可以有效缓和主结边缘弯曲区域的电 场密集，提高击穿电压。
本文围绕如何提高碳化硅ＰｉＮ二极管的击穿电压开展模拟研究工作，取得的主 要成果如下：
一、根据碳化硅ＰｉＮ二极管的工作机理，结合模拟仿真结果，研究了碳化硅 ＰｉＮ二极管的正向特性和开关特性。器件在３００Ｋ，电流密度为５０Ａ／ｃｍ２时，正向 电压降Ｋ大约为２．８４Ｖ。采用双层ｐ＋区结构可以改善器件正向特性，模拟结果显 示器件在３００Ｋ，电流密度为５０Ａ／ｃｍ２时，正向压降圪大约为２．６７Ｖ，降低了将近 ０．２Ｖ，有效减少了器件本身的功耗损失。