论文部分内容阅读
碳化硅(SiC)作为第三代宽禁带材料的典型代表,具有禁带宽度大,临界击穿电场高,热导率高,载流子饱和速度高等优点,是目前功率半导体领域的研究热点。碳化硅绝缘栅双极晶体管(SiC IGBT)既具有SiC材料阻断电压高、耐高温、抗辐照、工作频率高的特点,又具有IGBT易于驱动、控制简单、导通压降低、通态电流大和损耗小的优点,是应用于固态变压器、高压脉冲电源、高压逆变器、柔性交流/直流输电系统、高压直流输电系统、静止无功补偿器等高压(≥10kV)大功率领域的理想功率开关器件之一,具有广阔的发展前景。本文开展高压4H-SiC IGBT元胞和终端结构的分析与设计,主要内容有:(1)针对Silvaco仿真软件中SiC材料参数和模型的不完善,通过参数和模型的选取,搭建了SiC IGBT仿真平台,仿真平台获得的结果与实验结果吻合较好;在此基础上,开展了具有相似结构参数的N型和P型4H-SiC电流增强型IGBT(CEL-IGBT)器件的对比研究。由于SiC材料中空穴比电子具有更高的碰撞电离系数和更低的迁移率,仿真结果表明N型4H-SiC CEL-IGBT比P型结构具有更高的击穿电压,更低的正向导通压降以及更加优化的正向导通压降和关断损耗的折中。(2)针对4H-SiC CEL-IGBT结构的不足,提出了一种具有埋岛结构的4H-SiC CEL-IGBT(BICEL-IGBT)新结构,并开展了两种结构的对比研究。通过器件参数的仿真优化,获得了耐压均为15000V的BICEL-IGBT和CEL-IGBT器件,在正向导通压降为5.53V下,BICEL-IGBT结构的关断损耗为2.79mJ,比CEL-IGBT结构的关断损耗4.01mJ减小了31%。(3)开展了场限环和沟槽复合终端结构的设计,在终端宽度为1.2mm,50个环时,获得16900V的耐压。在此基础上,针对4H-SiC IGBT结构进行了工艺和版图设计。