4H-SiC同質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，在國民經(jīng)濟和軍事等諸多領域有著廣泛的應用前景，例如電力電子領域就是最具代表性的工程應用領域之一。高質量的厚外延層4H-SiC 材料是制造高壓SBD 器件基礎。但毋庸諱言，無論從4H-SiC 外延材料生長還是高壓SBD 器件的制造中依然存在很多問題和困難，嚴重制約了高壓4H-SiC SBD 器件發(fā)展。
　　 國內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4H-SiC寬禁帶半導體和4H-SiC SBD 器件關鍵理論問題缺乏深入、細致和系統(tǒng)的研究，使得我國的整體水平與國際先進水平尚存明顯差距，主要存在以下問題：（1）高質量4H-SiC 外延薄膜的生長機理和關鍵工藝尚未完全搞清；（2）沒有一套系統(tǒng)完整4H-SiC 單晶同質外延的表征測量方法；（3）高壓SiC SBD 器件所采用的結終端結構缺乏準確數(shù)據(jù)；（4）4H-SiC SBD 器件關鍵制造工藝還未解決。<

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

4、red Spectromtry）FTIR 反射譜對4H-SiC 同質外延半導體薄膜的質量進行評價，完善了用干涉條紋的頻率和強弱的方法來計算外延薄膜的厚度。用汞（Hg）探針C-V測試獲取4H-SiC 同質外延縱向雜質濃度分布的信息，并通過多點測試，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等顯微技術對4H-SiC 同質外延薄膜樣品表面形貌進行了定性和定量的測試分析。
　　 3、提出了高壓4H-SiC

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

6、高時，反向熱電子發(fā)射電流和耗盡層中復合中心產(chǎn)生電流都大大增加，不能再忽略不計。4、闡述了高壓4H-SiC SBD 結終端技術的必要性，原因是高壓4H-SiC SBD 結終端存在電場集中導致電壓下降。提出了平面結終端技術：場板技術、保護環(huán)技術、腐蝕造型技術、場限環(huán)技術和結終端延伸技術等。介紹了數(shù)字模擬軟件ISE-TCAD10.0 特點、模擬運行的過程、并對帶有場限環(huán)和結終端延伸的結終端技術的高壓4H-SiC SBD 進行了耐壓特性模擬。通

7、過模擬得到襯底摻雜濃度、厚度和結終端結構等參數(shù)對器件耐壓的影響關系，為高壓4H-SiC SBD的設計和研制做好準備5、研究了歐姆接觸和肖特基接觸，它們是高壓4H-SiC SBD 器件研制的基礎和關鍵工藝。根據(jù)模擬結果，結合實際工藝條件，本文分別研制了具有結終端場限環(huán)保護的高壓Mo/4H-SiC SBD和Ni/4H-SiC SBD 器件及具有結終端延伸保護的高壓Ni/4H-SiC SBD 器件。根據(jù)實驗結果指出此兩種平面結終端保護結構是很