1700V 4H-SiCDMOS晶体管的设计与实验研究

摘要

碳化硅（Silicon Carbide）半导体材料凭借临界击穿电场高、热导率高、热载流子饱和漂移速度高、抗辐照能力强等特点，已经成为国际功率半导体领域的研究热点。与 Si基功率器件相比，SiC功率半导体器件及模块不仅功率更大，而且开关损耗和系统体积也降低一半以上。国内在SiC MOSFET功率器件的研究方面才刚刚起步，与国际水平差距还比较显著。本文立足于国内科研单位的工艺平台，设计优化了击穿电压1700V4H-SiC DMOS晶体管结构参数，绘制了器件版图，并进行了流片实验验证和测试分析，为后续国内1700V SiC DMOS晶体管的应用研究提供了理论支持和技术指导。
　　本论文首先利用半导体二维数值分析软件Silvaco的器件模拟模块Atlas对击穿电压1700V的4H-SiC DMOS元胞结构参数进行设计，折衷优化栅氧化层厚度、JFET宽度、沟道长度和P_base区浓度等器件结构参数对击穿电压、阈值电压和导通电阻的影响。其次在确定元胞参数后，考虑到曲率效应，分别研究了场板终端、单步刻蚀型 JTE终端和场限环终端对器件击穿电压的影响。此外，针对高电场应力下SiC DMOS器件的栅介质容易发生FN隧穿，从而降低器件可靠性的问题，研究了一种降低FN隧穿效应的基于SiO2和HfO2等高K材料组成的SiC MOS复合栅结构。
　　接下来本文对经过1300℃高温氧化并在NO气体中退火的4H-SiC MOS电容界面特性进行研究。测试结果表明，高温氧化后NO退火能够降低SiO2/SiC界面态密度，而且随着退火温度和时间的提高，界面态密度会进一步降低。最后基于器件仿真设计，绘制出1700V4H-SiC DMOS器件版图，同时立足于国内科研院所的工艺平台，进行了流片实验和测试结果分析。实验流片出来的4H-SiC DMOS器件击穿电压达到2500V，阈值电压4.8V，达到设计目标，为后续开展1700V的SiC DMOS器件产业化的研究提供了有力支撑。

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第一章 绪 论

1.1 碳化硅材料的物理特性简介

1.2 碳化硅DMOS器件发展概况

1.3 本论文主要工作

第二章 碳化硅器件物理模型和仿真基础

2.1 器件理论基础

2.2 仿真平台介绍

2.3 本章小结

第三章 1700V 4H-SiC DMOS晶体管结构设计

3.1 1700V 4H-SiC DMOS元胞设计

3.2 1700V 4H-SiC DMOS结终端设计

3.3 栅氧化层可靠性研究

3.4 本章总结

第四章 1700V 4H-SiC DMOS晶体管实验及测试分析

4.1 4H-SiC MOS电容实验分析

4.2 版图设计

4.3 实验测试分析

4.4 本章小结

第五章 结 论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果