4H-SiC雙外延基區(qū)雙極晶體管模型與實驗研究.pdf

1、以碳化硅(SiC)材料為代表的第三代寬帶隙半導體材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導率、高載流子飽和漂移速度等特點，非常適合制作高溫、高壓、大功率、抗輻照等半導體器件。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，越來越受到人們的重視，國內(nèi)外的許多科研機構已經(jīng)相繼展開了從器件結構到工藝實驗等各方面的研究。本論文基于4H-SiC的材料特性和器件基本工作原理

2、，創(chuàng)造性的提出了一種新型的雙外延基區(qū)4H-SiC雙極晶體管結構，其中基區(qū)結構采用連續(xù)二次外延的方式形成，同時對其結構參數(shù)進行了模擬研究和解析計算，最后按照優(yōu)化后的設計結構進行了投片實驗。
　　 研究成果和創(chuàng)新性內(nèi)容主要包括以下幾個方面：
　　 1.4H-SiC材料的模型參數(shù)及雙極晶體管的工作機理研究。對4H-SiC材料的基本特性進行了研究，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)關于溫度的變化關系

3、。同時，對雙極晶體管的基本工作原理進行了分析，計算了包括共發(fā)射極電流增益、擊穿電壓、基區(qū)渡越時間等器件參數(shù)，并從理論上分析了影響雙極晶體管直流特性的幾個關鍵因素。
　　 2.4H-SiC雙外延基區(qū)雙極晶體管的基區(qū)渡越時間研究。為了提高雙極晶體管的電流增益，基于其電流傳輸過程，創(chuàng)造性的提出并設計了一種新型的雙外延基區(qū)雙極晶體管。依據(jù)漂移擴散理論，求解了該結構器件的基區(qū)渡越時間τB的解析表達式，并根據(jù)該解析模型，對該雙極晶體管的基區(qū)

4、結構進行了重點研究，依據(jù)正交實驗結果，針對包括摻雜濃度及厚度在內(nèi)的多個參數(shù)進行了優(yōu)化設計。研究結果表明，結構優(yōu)化后的雙外延基區(qū)內(nèi)部所產(chǎn)生的自建電場對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)雙極晶體管的結終端結構研究。以提高器件擊穿電壓為目的，器件結構設計中引入了多種不同的結終端結構，通過模擬計算對不同結終端結構的參數(shù)進行了優(yōu)化設計，包括摻雜濃度、離子注入深度、注入劑量和能量的計算

5、等。研究結果表明，優(yōu)化后的結終端能夠明顯減弱集電結臺面拐角處的電場強度，從而有效提高擊穿電壓，結構優(yōu)化后的擊穿電壓可達2400V，較之前提高了一倍以上。同時，影響器件特性的多個參數(shù)諸如基區(qū)歐姆接觸距離發(fā)射區(qū)臺面的距離、集電極漂移區(qū)的結構參數(shù)等也進行了研究。
　　 4.在對4H-SiC雙外延基區(qū)雙極晶體管研究的基礎上，又創(chuàng)造性的對兩種其他結構的晶體管進行了結構研究，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，通過對基區(qū)摻雜指數(shù)

6、分布條件下基區(qū)渡越時間的計算以及對肖特基接觸理論的研究，重點模擬了這兩種結構晶體管的共發(fā)射極電流增益及擊穿電壓特性，并對不同溫度條件下的器件特性進行了模擬計算。
　　 5.4H-SiC雙外延基區(qū)雙極晶體管的實驗研究。依照前述的理論研究成果，論文最后對器件進行了版圖設計并投片實驗，提出了一種改進的控制發(fā)射區(qū)臺面ICP刻蝕精度的方法，優(yōu)化工藝參數(shù)，最后對器件的電學特性如共發(fā)射極電流增益、歐姆接觸電阻、擊穿電壓等特性進行了測試。測試結