4H--SiC大功率肖特基二极管器件设计及工艺研究
碳化硅(SiC)材料作为第三代宽带隙半导体材料,具有高临界击穿电场、高热导率、高电子饱和漂移速率等特点,在高温、高频、大功率、抗辐射等领域,尤其是高温或强腐蚀性等恶劣环境中具有巨大的应用潜力.在SiC众多多型体中,4H-SiC以其禁带宽度大(3.26eV)、迁移率高(900cm2/Vs)和各向异性比较小等优越性能而被认为更适合于制造大功率高反压电子器件.在高压输电、高频电路和微波领域,具有高功率、高温及高可靠性的4H-SiC肖特基二极管具有广阔的应用前景.
制备大功率高反压的4H-SiC肖特基二极管(SBD)关键部分是一层厚的低缺陷密度的4H-SiC本征漂移层,如何通过快速生长节省生长时间,减少生长过程中的损耗,在经济上占有优势已成为制造该类器件的关键技术.另外一项制备4H-SiC肖特基二极管的关键工艺是离子注入和高温退火.
本文主要研究了4H-SiC快速外延生长的工艺,分析了同质外延层的结晶质量、生长速率、表面形貌及缺陷形成机理:研究了器件终端保护的设计;深入探索了离子注入和高温退火的工艺方案.
1.4H-SiC快速同质外延生长的研究:利用垂直热壁低压化学气相沉积
(LPCVD)系统在10mm*10mm的4H-SiC衬底上进行了快速同质外延生长,采用TCS(三氯氢硅)作为硅(Si)源、C2H4(乙烯)进行了4H-SiC快速同质外延生长的工艺研究.在生长温度为1500℃下,通过调节气相中C、Si原子比率(C/Si)找到了最佳的外延生长条件,并获得质量优秀的4H-SiC外延材料.结果表明:当C/Si比等于0.5时,生长速率达到25μm/h,生长出的外延层的结晶质量(26.2aresec)及表面粗糙度(1.26nm)都达到最佳,并用随着生长时间的增加,外延层的质量没有恶化.经汞探针C-V测试计算得到生长半小时的末掺杂4H-SiC外延材料的背景载流子浓度为8.45*1015cm-3,生长2小时的未掺杂4H-SiC外延材料的载流予浓度降低到2.13*1015cm-3.
2.4H-SiC肖特基二极管的结构设计与仿真:为了改善4H-SiC SBD的反向阻断特性,提高器件的击穿电压,本文利川器件数值仿真工具对具有终端保护结构的4H-SiC SBD的击穿特性进行了研究,分析了击穿电压与SBD结构参数的关系,给出了优化的器件结构参数,提出了一种优化设计该类器件的方法.针对严重影响4H-SiC SBD击穿特性的表面电场和电势分布,应用器件模拟软件得出终端保护结构参数(场板长度,钝化层厚度,结终端扩展,场限环的个数与间距等)的最优值,为4H-SiC SBD器件的设计提供了重要的信息.
3.离子注入与高温退火工艺的研究:应用蒙特卡罗分析软件SRIM对A1离子注入4H-SiC的能量、深度及浓度分布的分析,确定了离子注入的工艺参数,包括能量、剂量等.在此基础上,设计了6次离子注入的能量和剂量,以形成均匀的掺杂分布.离子注入后通过SIMS测试了离子注入的结果,得到了很均匀的表面掺杂层.但是离子注入带来SiC材料的品格损伤,因此需要高温退火来恢复被损伤的晶格结构,同时注入的离子也需要在高温下激活,达到掺杂的目的.在高温退火方面,为了很好的解决退火的表面粗化问题,我们设计了3种不同的退火条件.开发出了应用C膜保护退火样品表面的工艺,其可以很好的保持样品表面的形貌,并有很好的注入离子激活率.
4.本文最后设计了制备4H-SiC肖特基二极管所需的版图及根据现有的碳化硅工艺的实际水平,初步给出了制备高压4H-SiC功率JBS的工艺流程.为进一步的实验奠定了基础.
- 作者：
- 吴海雷
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 微电子学与固体电子学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 孙国胜
- 关键词：
- 碳化硅；快速同质外延；终端保护；离子注入；高温退火；肖特基二极管；宽带隙半导体材料
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