4H-SiC同質(zhì)外延薄膜及其高壓肖特基二極管器件研究.pdf

1、4H-SiC 材料和高壓4H-SiC 肖特基二極管（SBD）器件具有優(yōu)越的性能，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，例如電力電子領(lǐng)域就是最具代表性的工程應(yīng)用領(lǐng)域之一。高質(zhì)量的厚外延層4H-SiC 材料是制造高壓SBD 器件基礎(chǔ)。但毋庸諱言，無(wú)論從4H-SiC 外延材料生長(zhǎng)還是高壓SBD 器件的制造中依然存在很多問(wèn)題和困難，嚴(yán)重制約了高壓4H-SiC SBD 器件發(fā)展。
　　 國(guó)內(nèi)4H-SiC 單晶外延材料制備和4H-S

2、iC SBD 器件研制起步較晚，對(duì)4H-SiC寬禁帶半導(dǎo)體和4H-SiC SBD 器件關(guān)鍵理論問(wèn)題缺乏深入、細(xì)致和系統(tǒng)的研究，使得我國(guó)的整體水平與國(guó)際先進(jìn)水平尚存明顯差距，主要存在以下問(wèn)題：（1）高質(zhì)量4H-SiC 外延薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理和關(guān)鍵工藝尚未完全搞清；（2）沒(méi)有一套系統(tǒng)完整4H-SiC 單晶同質(zhì)外延的表征測(cè)量方法；（3）高壓SiC SBD 器件所采用的結(jié)終端結(jié)構(gòu)缺乏準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；（4）4H-SiC SBD 器件關(guān)鍵制造工藝還未解決。<

3、br>　　 在此背景下，本文針對(duì)上述主要問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要的研究成果如下：
　　 1、在理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)化學(xué)氣相淀積（CVD）法4H-SiC 同質(zhì)外延生長(zhǎng)的關(guān)鍵工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出影響這些材料參數(shù)的主要因素。確定了關(guān)鍵參數(shù)變化趨勢(shì)，制定了完整的工藝流程。
　　 2、對(duì)4H-SiC 同質(zhì)外延薄膜進(jìn)行了檢測(cè)。提出了一種簡(jiǎn)易測(cè)試外延厚度的方法，即利用葉變換紅外光譜（Fourier Transform Infra

4、red Spectromtry）FTIR 反射譜對(duì)4H-SiC 同質(zhì)外延半導(dǎo)體薄膜的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，完善了用干涉條紋的頻率和強(qiáng)弱的方法來(lái)計(jì)算外延薄膜的厚度。用汞（Hg）探針C-V測(cè)試獲取4H-SiC 同質(zhì)外延縱向雜質(zhì)濃度分布的信息，并通過(guò)多點(diǎn)測(cè)試，得到外延片的摻雜濃度均勻性。借助掃描電子顯微鏡SEM和原子力顯微鏡AFM等顯微技術(shù)對(duì)4H-SiC 同質(zhì)外延薄膜樣品表面形貌進(jìn)行了定性和定量的測(cè)試分析。
　　 3、提出了高壓4H-SiC

5、SBD 器件反向擊穿電壓與4H-SiC 半導(dǎo)體材料臨界電場(chǎng)、外延層的摻雜濃度、外延層的厚度之間定量關(guān)系，研究了室溫下金屬碳化硅接觸的肖特基勢(shì)壘高度Фb、串聯(lián)電阻Ron和金屬與4H-SiC 緊密接觸形成歐姆接觸，并給出了它們的計(jì)算公式。證明了在溫度不太高的范圍（300K-500K）內(nèi)，正向伏安特性符合熱電子發(fā)射理論。提出了一種計(jì)算反向電流密度的理論模型，模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較表明，隧道效應(yīng)是常溫下反向電流的主要輸運(yùn)機(jī)理。但在溫度較

6、高時(shí)，反向熱電子發(fā)射電流和耗盡層中復(fù)合中心產(chǎn)生電流都大大增加，不能再忽略不計(jì)。4、闡述了高壓4H-SiC SBD 結(jié)終端技術(shù)的必要性，原因是高壓4H-SiC SBD 結(jié)終端存在電場(chǎng)集中導(dǎo)致電壓下降。提出了平面結(jié)終端技術(shù)：場(chǎng)板技術(shù)、保護(hù)環(huán)技術(shù)、腐蝕造型技術(shù)、場(chǎng)限環(huán)技術(shù)和結(jié)終端延伸技術(shù)等。介紹了數(shù)字模擬軟件ISE-TCAD10.0 特點(diǎn)、模擬運(yùn)行的過(guò)程、并對(duì)帶有場(chǎng)限環(huán)和結(jié)終端延伸的結(jié)終端技術(shù)的高壓4H-SiC SBD 進(jìn)行了耐壓特性模擬。通

7、過(guò)模擬得到襯底摻雜濃度、厚度和結(jié)終端結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)器件耐壓的影響關(guān)系，為高壓4H-SiC SBD的設(shè)計(jì)和研制做好準(zhǔn)備5、研究了歐姆接觸和肖特基接觸，它們是高壓4H-SiC SBD 器件研制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵工藝。根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合實(shí)際工藝條件，本文分別研制了具有結(jié)終端場(chǎng)限環(huán)保護(hù)的高壓Mo/4H-SiC SBD和Ni/4H-SiC SBD 器件及具有結(jié)終端延伸保護(hù)的高壓Ni/4H-SiC SBD 器件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出此兩種平面結(jié)終端保護(hù)結(jié)構(gòu)是很