寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件說(shuō)課講解.ppt

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1、寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件寬禁帶半導(dǎo)體材料優(yōu)越的物理化學(xué)特性表1幾種SiC多型體及其它常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的性能比較特征SiGaAs3C-SiC4H-SiC6H-SiCGaN禁帶寬度(eV)1.121.432.43.263.03.4相對(duì)介電常數(shù)11.812.59.72109.669.5熱導(dǎo)率(W/K·cm)1.50.543.23.74.91.3擊穿電場(chǎng)(106V/cm)0.30.42.122.22.52.0電子遷移率(cm2/s·V)1500880080010004001000空穴遷移率(cm2/s·V)42

2、540040115100200最大電子飽和速度(107cm/s)0.91.32.2222.5一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)器件產(chǎn)生的損耗減少(導(dǎo)通電阻減至數(shù)分之一)可高頻工作可在高溫下工作熱導(dǎo)率約為Si的3倍絕緣耐壓約為Si的7~10倍電子飽和速度約為Si的2倍以上帶隙約為Si的3倍熔點(diǎn)約為Si的2倍周邊部件尺寸減小冷卻裝置尺寸減小或省去電力系統(tǒng)的精簡(jiǎn)電力系統(tǒng)中電力損耗的減少效果與Si器件的優(yōu)點(diǎn)SiC功率器件與Si器件相比的優(yōu)點(diǎn)一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)表2不同結(jié)構(gòu)的SiC電力電子器件的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀器件結(jié)構(gòu)

3、特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究最高水平及商業(yè)化狀況SiC整流器肖特基器件（SBD）開(kāi)關(guān)速度快2003年，美國(guó)Rutgers大學(xué)報(bào)道了阻斷電壓超過(guò)10kV的4H-SiC的肖特基器件，比導(dǎo)通電阻為97.5mΩ·cm2。已商業(yè)化。PIN器件耐壓高于肖特基器件，開(kāi)關(guān)速度低于肖特基器件2001年，利用結(jié)終端延伸技術(shù)，日本報(bào)道了耐壓至19.5kV的4H-SiC的臺(tái)面型pin二極管。結(jié)勢(shì)壘肖特基器件（JBS）結(jié)合了pn結(jié)和肖特基結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，耐壓和開(kāi)關(guān)速度介于兩者之間2007年美國(guó)的Cree公司研制了SiC10kV/20A的結(jié)勢(shì)壘肖

4、特基二極管。已有商業(yè)化樣品。SiC單極型開(kāi)關(guān)MOSFET高速的開(kāi)關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻2004年，美國(guó)的Cree公司報(bào)道阻斷電壓高達(dá)10kV，比導(dǎo)通電阻為123mΩ·cm2的4H-SiCDMOSFET。已有1200V/10、20A的商業(yè)樣品。JFET高速的開(kāi)關(guān)性能2004年，美國(guó)Rutgers大學(xué)報(bào)道擊穿電壓為11kV、比導(dǎo)通電阻為130mΩ·cm2的SiC-JFET器件。已有1200V和1800V、15A～30A的商業(yè)樣品。SiC雙極型開(kāi)關(guān)BJT開(kāi)關(guān)速度與MOSFET相當(dāng)，驅(qū)動(dòng)電路較MOSFET器件復(fù)雜

5、2004年，美國(guó)Rutgers大學(xué)報(bào)道擊穿電壓為9.2kV，比導(dǎo)通電阻為33mΩ·cm2的的SiCBJT器件。已有1200V/6、20A的商業(yè)樣品。IGBT適合于中高壓等級(jí)2007年，Purdu大學(xué)研制了阻斷電壓高達(dá)20kV的SiCP-IGBT。一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)：一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)更大導(dǎo)通電流容量、更高阻斷電壓及更高功率容量；低通態(tài)電阻和低通態(tài)壓降；更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的工作頻率等方向發(fā)展。3研究?jī)?nèi)容二、研究?jī)?nèi)容、擬解決的技術(shù)難點(diǎn)SiC電力電子器件的主要研究?jī)?nèi)容：（

6、1）SiC電力電子器件的器件物理研究。包括SiC高壓二極管及SiC-MOSFET晶體管的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，器件的耐壓解析模型的建立，場(chǎng)板、場(chǎng)限環(huán)及結(jié)終端延伸等終端保護(hù)技術(shù)在器件上的應(yīng)用與設(shè)計(jì)，完善寬禁帶SiC功率器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論等。（2）SiC電力電子器件制備的關(guān)鍵技術(shù)研究。包括SiC材料的歐姆接觸、肖特基接觸的研究，SiC離子注入及退火技術(shù)研究，SiC表面處理及高性能的氧化層制備技術(shù)研究，SiC材料的低損傷刻蝕技術(shù)研究，及其各關(guān)鍵工藝技術(shù)的整合等內(nèi)容。（3）器件的可靠性及失效機(jī)理研究。包括SiC電力

7、電子器件反向漏電流機(jī)理研究，高溫下SiC材料的歐姆接觸、肖特基接觸、SiO2/SiC界面態(tài)、SiC器件的導(dǎo)通、擊穿和開(kāi)關(guān)速度等特性的可靠性研究等。3研究?jī)?nèi)容二、研究?jī)?nèi)容、擬解決的技術(shù)難點(diǎn)（1）器件的合理化設(shè)計(jì)。（2）SiC的熱氧化技術(shù)。可靠性及失效機(jī)理研究。SiC材料的歐姆接觸，SiO2/SiC界面態(tài)，器件的導(dǎo)通、擊穿和開(kāi)關(guān)速度等特性的可靠性研究。②SiC離子注入以及摻雜離子激活在碳化硅器件研究中，摻雜注入要求在高溫注入之后高溫退火激活注入離子。對(duì)于離子注入的最大深度、最高濃度分布狀態(tài)以及標(biāo)準(zhǔn)偏差分布

8、進(jìn)行計(jì)算，在研究中采用相應(yīng)的注入能量、劑量，得到所需要的注入離子分布狀態(tài)。與硅材料中摻雜離子基本處于激活態(tài)不同，碳化硅材料中的摻雜離子一般條件下只有部分處于激活狀態(tài)，并且其激活的比率與多種因素直接相關(guān)。在碳化硅材料中的注入離子激活能比較高，對(duì)于同一種離子，隨著注入離子濃度、注入能量的不同，離子在不同條件下激活之后可能產(chǎn)生不同的的深能級(jí)，形成不同導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜。因此，離子注入摻雜激活機(jī)理的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的摻雜目的是必不可少的。擬解決的技術(shù)難點(diǎn)：三、研究目