文档介绍：湖南大学
博士学位论文
4H-SiC同质外延薄膜及其高压肖特基二极管器件研究
姓名:张发生
申请学位级别:博士
专业:电气工程
指导教师:李欣然
2010-05-05
博士学位论文
摘要
4H-SiC 材料和高压 4H-SiC 肖特基二极管(SBD)器件具有优越的性能,在
国民经济和军事等诸多领域有着广泛的应用前景,例如电力电子领域就是最具代
表性的工程应用领域之一。高质量的厚外延层 4H-SiC 材料是制造高压 SBD 器件
基础。但毋庸讳言,无论从 4H-SiC 外延材料生长还是高压 SBD 器件的制造中依
然存在很多问题和困难,严重制约了高压 4H-SiC SBD 器件发展。
国内 4H-SiC 单晶外延材料制备和 4H-SiC SBD 器件研制起步较晚,对 4H-SiC
宽禁带半导体和 4H-SiC SBD 器件关键理论问题缺乏深入、细致和系统的研究,使
得我尚存明显差距,主要存在以下问题:(1)高质
量 4H-SiC 外延薄膜的生长机理和关键工艺尚未完全搞清;(2)没有一套系统完整
4H-SiC 单晶同质外延的表征测量方法;(3)高压 SiC SBD 器件所采用的结终端结
构缺乏准确数据;(4)4H-SiC SBD 器件关键制造工艺还未解决。
在此背景下,本文针对上述主要问题进行了系统研究。主要的研究成果如下:
1、在理论分析的基础上,对化学气相淀积(CVD)法 4H-SiC 同质外延生长
的关键工艺进行了实验研究,得出影响这些材料参数的主要因素。确定了关键参
数变化趋势,制定了完整的工艺流程。
2、对 4H-SiC 同质外延薄膜进行了检测。提出了一种简易测试外延厚度的方
法,即利用叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectromtry)FTIR 反射谱
对 4H-SiC 同质外延半导体薄膜的质量进行评价,完善了用干涉条纹的频率和强弱
的方法来计算外延薄膜的厚度。用汞(Hg)探针 C-V 测试获取 4H-SiC 同质外延
纵向杂质浓度分布的信息,并通过多点测试,得到外延片的掺杂浓度均匀性。借
助扫描电子显微镜 SEM 和原子力显微镜 AFM 等显微技术对 4H-SiC 同质外延薄膜
样品表面形貌进行了定性和定量的测试分析。
3、提出了高压 4H-SiC SBD 器件反向击穿电压与 4H-SiC 半导体材料临界电场、
外延层的掺杂浓度、外延层的厚度之间定量关系,研究了室温下金属碳化硅接触
的肖特基势垒高度Фb、串联电阻 Ron 和金属与 4H-SiC 紧密接触形成欧姆接触,并
给出了它们的计算公式。证明了在温度不太高的范围(300K-500K)内,正向伏安
特性符合热电子发射理论。提出了一种计算反向电流密度的理论模型,模型的计
算结果与实验数据的比较表明,隧道效应是常温下反向电流的主要输运机理。但
在温度较高时,反向热电子发射电流和耗尽层中复合中心产生电流都大大增加,
不能再忽略不计。
II
4H-SiC 同质外延薄膜及其高压肖特基二极管器件研究
4、阐述了高压 4H-SiC SBD 结终端技术的必要性,原因是高压 4H-SiC SBD 结
终端存在电场集中导致电压下降。提出了平面结终端技术:场板技术、保护环技
术、腐蚀造型技术、场限环技术和结终端延伸技术等。介绍了数字模拟软件
ISE- 特点、模拟运行的过程、并对带有场限环和结终端延伸的结终端技
术的高压 4H-SiC SBD 进行了耐压特性模拟。通过模拟得到衬底掺杂浓度、厚度和
结终端结构等参数对器件耐压的影响关系,为高压 4H-SiC SBD 的设计和研制做好
准备
5、研究了欧姆接触和肖特基接触,它们是高压 4H-SiC SBD 器件研制的基础
和关键工艺。根据模拟结果,结合实际工艺条件,本文分别研制了具有结终端场
限环保护的高压 Mo/4H-SiC SBD 和 Ni/4H-SiC SBD 器件及具有结终端延伸保护的
高压 Ni/4H-SiC SBD 器件。根据实验结果指出此两种平面结终端保护结构是很有
效的。这为今后进一步研制高性能的高压 4H-SiC SBD 器件奠定了实验基础。
最后根据初步实验结果分析提出了今后改进设想。
关键词:化学气相淀积;4H-SiC 同质外延;4H-SiC 肖特基二极管;金-半接触;
结终端技术;反向耐压
III
博士学位论文
Abstract
4H-Silicon carbide (SiC) material and its High Voltage SBD