4h-sic雙外延基區(qū)雙極晶體管模型和實(shí)驗(yàn)的研究

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1、摘要以碳化硅(SiC)材料為代表的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速度等特點(diǎn)，非常適合制作高溫、高壓、大功率、抗輻照等半導(dǎo)體器件。其中4H．SiC材料以其優(yōu)越的特性而被廣泛采用。在功率半導(dǎo)體器件中，4H—SiC雙極晶體管(BJTS)作為一種雙載流子工作器件，越來(lái)越受到人們的重視，國(guó)內(nèi)外的許多科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)相繼展開了從器件結(jié)構(gòu)到工藝實(shí)驗(yàn)等各方面的研究。本論文基于4H．SiC的材料特性和器件基本工作原理，創(chuàng)造性的提出了一種新型的雙外延基區(qū)4H．SiC雙極晶體管結(jié)構(gòu)，其中基區(qū)結(jié)構(gòu)采用連續(xù)二次外延的方式形成，同時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了模擬研究和解析計(jì)算，

2、最后按照優(yōu)化后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了投片實(shí)驗(yàn)。研究成果和創(chuàng)新性內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：1．4H．SiC材料的模型參數(shù)及雙極晶體管的工作機(jī)理研究。對(duì)4H．SiC材料的基本特性進(jìn)行了研究，建立了能帶模型、遷移率及不完全離化等材料模型，并闡述了各模型參數(shù)關(guān)于溫度的變化關(guān)系。同時(shí)，對(duì)雙極晶體管的基本工作原理進(jìn)行了分析，計(jì)算了包括共發(fā)射極電流增益、擊穿電壓、基區(qū)渡越時(shí)間等器件參數(shù)，并從理論上分析了影響雙極晶體管直流特性的幾個(gè)關(guān)鍵因素。2．4H—SiC雙外延基區(qū)雙極晶體管的基區(qū)渡越時(shí)間研究。為了提高雙極晶體管的電流增益，基于其電流傳輸過(guò)程，創(chuàng)造性的提出并設(shè)計(jì)了一種新型的雙外延基區(qū)雙極晶體管。依據(jù)漂移

3、擴(kuò)散理論，求解了該結(jié)構(gòu)器件的基區(qū)渡越時(shí)間龜?shù)慕馕霰磉_(dá)式，并根據(jù)該解析模型，對(duì)該雙極晶體管的基區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，依據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)包括摻雜濃度及厚度在內(nèi)的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的雙外延基區(qū)內(nèi)部所產(chǎn)生的自建電場(chǎng)對(duì)于提高器件的直流增益有明顯的作用，增益可提高至70以上。3．4H—SiC雙外延基區(qū)雙極晶體管的結(jié)終端結(jié)構(gòu)研究。以提高器件擊穿電壓為目的，器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入了多種不同的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)不同結(jié)終端結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括摻雜濃度、離子注入深度、注入劑量和能量的計(jì)算等。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的結(jié)終端能夠明顯減弱集電結(jié)臺(tái)面拐角處的電場(chǎng)強(qiáng)度，

4、從而有效提高擊穿電壓，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的擊穿電壓可達(dá)2400V，較之前提高了一倍以上。同時(shí)，影響器件特性的多個(gè)參數(shù)諸如基區(qū)歐姆接觸距離發(fā)射區(qū)臺(tái)面的距離、集電極漂移區(qū)的結(jié)構(gòu)參數(shù)等也進(jìn)行了研究。4．在對(duì)4H．SiC雙外延基區(qū)雙極晶體管研究的基礎(chǔ)上，又創(chuàng)造性的對(duì)兩種其他結(jié)構(gòu)的晶體管進(jìn)行了結(jié)構(gòu)研究，分別為緩變基區(qū)雙極晶體管和金屬發(fā)射極雙極晶體管，通過(guò)對(duì)基區(qū)摻雜指數(shù)分布條件下基區(qū)渡越時(shí)間的計(jì)算以及對(duì)肖特基接觸理論的研究，重點(diǎn)模擬了這兩種結(jié)構(gòu)晶體管的共發(fā)射極電流增益及擊穿電壓特性，并對(duì)不同溫度條件下的器件特性進(jìn)行了模擬計(jì)算。5．4H．SiC雙外延基區(qū)雙極晶體管的實(shí)驗(yàn)研究。依照前述的理論研究成果，論文最

5、后對(duì)器件進(jìn)行了版圖設(shè)計(jì)并投片實(shí)驗(yàn)，提出了一種改進(jìn)的控制發(fā)射區(qū)臺(tái)面ICP刻蝕精度的方法，優(yōu)化工藝參數(shù)，最后對(duì)器件的電學(xué)特性如共發(fā)射極電流增益、歐姆接觸電阻、擊穿電壓等特性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示當(dāng)ic=28．6mA(Jc=183．4從m2)時(shí)，共發(fā)射極電流增益臚16．8，并隨著集電極電流密度的增加先增大后減小。比導(dǎo)通電阻R。D枷為32．3Im·cm2，基極開路擊穿電壓BVCEO約為410V。關(guān)鍵詞：4H．SiC雙極晶體管雙外延基區(qū)基區(qū)渡越時(shí)間電流增益比導(dǎo)通電阻擊穿電壓歐姆接觸AbstractSiliconCarbide(SiC)，the“rdgeneration、析debandgaps

6、emiconductormaterial，hasoutstandingpropertiessuchaswidebandgap，highcriticalbreakdownfield，higherthermalconductivity，andhighelectronsaturationdriftvelocity，anditisparticularlysuitableforfabricationofdevicesoperatedinhightemperature，highvoltage，hi曲power,andhi曲radiationenvironment．Amongthedifferen

7、tpolytypes，4H—SiChasbeenextensiveadoptedduetoitspredominantcharacteristics．Amongthehighpowerdevices，4H—SiCBipolarJunctionTransistors(BJTs)havebeenasubjectofmoreandmorestudy，sincepowerBJTsbasedon4H—SiCepilayercouldeliminatethefatal