SiC DSRD器件优化设计与关键工艺研究

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现代脉冲功率技术对于开关的要求越来越高,作为宽禁带半导体的典型代表,碳化硅(SiC)具有宽禁带高临界场强高热导率等优势。漂移阶跃恢复二极管(Drift Step Recovery Diode)是一种基于可控等离子层换流原理的半导体断路开关,可应用于电感储能电路,相比于其他开关器件具有关断速度快、重复频率高、易于串联堆叠等优势。采用SiC材料制备DSRD可以实现更高的单只阻断电压和更快的开关速度,也更有利于在高重复频率下工作。本文重点研究了4H-SiC DSRD的优化设计并对关键的工艺难点进行了探索。首先建立了4H-SiC DSRD二维数值模型,结合电路仿真讨论了1.2kV 4H-SiC DSRD体结构参数对负载上脉冲电压输出的影响。采用台面结合结终端扩展(mesa-JTE)、负斜角结合结终端扩展(Bevel-JTE)、刻蚀型结终端扩展(Etched-JTE)三种各具优缺点的终端结构,通过TCAD工具分别对三种终端结构的参数做了优化设计。对4H-SiC DSRD进行了电热耦合重频仿真分析,进一步评估其高重频工况下的热特性和稳定性。设计了三套针对三种不同终端结构的4H-SiC DSRD的工艺步骤并流片制备。针对ICP刻蚀SiC容易出现微沟槽的现象,单独对SiC刻蚀这一关键单步工艺进行了探索,成功获得侧壁陡直、无微沟槽且底脚平坦的优化刻蚀工艺条件。制备得到的4H-SiC DSRD芯片在测试中实现1080V的阻断电压,阳极欧姆接触的C-TLM测试比接触电阻为4.99E-5Ω·cm2。搭建基于4H-SiC DSRD的脉冲测试平台,在负载上获得峰值电压为508V、半脉宽为6.4ns的脉冲,DSRD截断的电流密度为278A/cm2。进一步分析研究了供电电源Vee、偏置电源Vff和MOSFET开通时间?T对脉冲输出的影响。综上所述,本文对4H-SiC DSRD器件系统性得进行了建模、仿真优化、工艺制备和特性测试工作。
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