【摘 要】
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宽禁带半导体碳化硅（Silicon carbide,SiC）功率器件具有耐高压、耐高温、低损耗等独特优势,使得其在空间体积、能量效率以及可靠性要求较高的场景应用潜力巨大。结构简单且性能优异的高压SiC PiN二极管作为SiC功率器件一个重要分支,其应用在电子电力系统中可提高功率密度,降低系统功耗。本文以6500V SiC PiN二极管为研究对象,优化设计了元胞和结终端结构,基于国内碳化硅器件工艺线
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宽禁带半导体碳化硅（Silicon carbide,SiC）功率器件具有耐高压、耐高温、低损耗等独特优势,使得其在空间体积、能量效率以及可靠性要求较高的场景应用潜力巨大。结构简单且性能优异的高压SiC PiN二极管作为SiC功率器件一个重要分支,其应用在电子电力系统中可提高功率密度,降低系统功耗。本文以6500V SiC PiN二极管为研究对象,优化设计了元胞和结终端结构,基于国内碳化硅器件工艺线,完成了芯片流片实验,并对器件的脉冲放电特性进行了测试分析和仿真验证。本文研究内容主要包括以下四个部分:首先,概述了SiC PiN二极管的工作原理,通过理论计算并结合TCAD数值分析工具,确定了SiC PiN二极管元胞结构参数,研究了载流子寿命对其正向特性的影响。其次,以场限环和结终端扩展的耐压理论为依据,设计优化了SiC PiN二极管的结终端结构,包括多区调制场限环（Multi Zone Modulation Field Limit Ring,MZM-FLR）和环辅助调制结终端扩展（Rings-assisted Modulation Junction Terminal Extension,RAM-JTE）,研究不同结终端结构的关键参数对器件耐压能力的影响,讨论了SiC/Si O2界面电荷、不同终端扩展区域对耐压和剂量窗口的影响,经过对比分析最终选择RAM-JTE作为高压SiC PiN二极管的结终端结构。接下来,基于SiC工艺流程,完成6500V SiC PiN二极管版图绘制和流片实验,测试结果表明:器件在100A/cm~2电流密度下比导通电阻Ron,sp为3.8mΩ·cm~2,正向压降为3.6V;10μA泄漏电流下击穿电压高达8105V,终端效率为95%;BFOM（Baliga’s Figure of Merits）为17.5 GW/cm~2。通过搭建双脉冲测试电路完成了器件反向恢复特性测试,反向恢复时间为78.4ns,软度因子为2.4。最后,以RLC二阶放电回路理论为依据,采用TCAD仿真器并搭建测试平台,从仿真和实验两个角度研究了6500V SiC PiN二极管的脉冲放电特性,探讨了充电电压、电容和电感对器件脉冲峰值电流Ipeak、脉冲电流上升率di/dt和脉冲上升时间tp的影响。当充电电压增加,Ipeak和di/dt近似线性增加,tp变化不明显;Ipaek和tp均随电容值增大而增大,而di/dt受电容值影响不明显;Ipeak和di/dt随电感值增加而减小,tp随电感值增加而略有增大。单次脉冲实验测得3000V充电电压下,SiC PiN二极管Ipeak为8.8k A,di/dt为50.3k A/μs,tp为0.14μs。在3060次重复脉冲后,SiC PiN二极管静态参数保持稳定。
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