1200V 4H-SiC平面型MOSFET的设计与实验研究

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硅基功率器件在过去几十年里快速发展,产品不断迭代,但是这些器件正在接近由硅的基本材料所限定的性能极限,所以迫切需要一种新型的半导体材料来提升器件的整体性能。碳化硅(Silicon Carbide,SiC)具有优良的特性,适用于高压低功耗应用环境,因此制造以SiC为半导体材料的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)能够在高压低功耗领域获得优越的性能。本论文针对传统平面型SiC-MOSFET(CON-MOS)在正向导通时饱和电流密度过大,导致器件短路特性变差,栅漏电容和栅漏电荷过大,导致器件开关特性变差以及体二极管的正向导通压降较大等问题,开展了SiC-MOSFET新结构的研究,主要工作如下:(1)提出了一种SiC-MOSFET内集成异质结二极管的新结构(HJD-MOS),与CON-MOS相比,正向导通时,HJD-MOS的饱和电流密度为1163 A/cm~2,降幅为68%,更小的饱和电流密度将大幅提升器件的短路耐受时间,改善器件的短路特性;HJD-MOS的栅漏电容为8.6 p F/cm~2,降幅为89%,栅漏电荷为23 n C/cm~2,降幅为88%,更小的栅漏电容和栅漏电荷将大幅提升器件的开关性能;HJD-MOS内集成的异质结二极管正向导通压降仅为0.5 V,降幅为83%,更小的二极管正向导通压降能够使器件获得更好的第三象限通态性能;反向恢复过程中,HJD-MOS内集成的异质结二极管反向恢复电流峰值为47 A,降幅为46%,反向恢复时间为28 ns,降幅为33%,这将改善CON-MOS体二极管反向恢复特性差的问题;开关过程中,HJD-MOS的开启损耗为18 m J/cm~2,降幅为55%,关断损耗为13 m J/cm~2,降幅为59%,更小的开关损耗将提升器件的应用效率。(2)结合国内现有的工艺平台,对传统结构的关键工艺参数进行了拉偏,同时对流片后的器件进行了参数测试,以及对可靠性考核中失效的器件进行了分析和研究,从而在传统结构的工艺基础上,后续开展HJD-MOS的工艺设计和流片。
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