双极模式SiC JFET功率特性的研究

双极模式杂蚤悦允云耘栽功率特性的研究

圆冤渊中国电子科技集团公司第十三研究所袁专用集成电路国家重点实验室袁石家庄摇园缘园园缘员冤

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表明杂蚤悦月允云耘栽的双极工作模式会延长器件的开关时间援

月允云耘栽的双极工作模式可以有效的降低器件的开态电阻袁折中器件的正反向特性而不增加工艺难度援仿真结果还

摇摇研究了常关型杂蚤悦双极模式结型场效应晶体管渊月允云耘栽冤的工作机理并建立了数值模型援仿真结果表明杂蚤悦

关键词院碳化硅袁双极型袁结型场效应晶体管袁模型孕粤悦杂院苑猿援源园援蕴择袁苑猿援源园援杂曾袁愿员援园缘援在曾袁愿源援猿园援允糟

特性与开态电阻之间的矛盾袁引入电导调制效应是比较理想的选择袁常见的方案有两种咱员园暂院一是采用类似于杂陨栽匀渊静电感应晶闸管冤的结构袁在漏极引入一个责灶结袁但这会提高工艺难度曰二是将杂蚤悦允云耘栽工作于双极模式下渊月允云耘栽冤袁让栅源孕晕结正偏向沟道内注入的少数载流子以调制开态电阻援类似思想曾在杂蚤基允云耘栽中得到过应用袁但杂蚤悦双极型允云耘栽尚未见报道援本文建立了杂蚤悦月允云耘栽的数值模型袁研究了其功率特性援

员郾引言

随着航空航天尧新能源尧汽车电子技术的发展袁对功率半导体器件的性能提出了越来越高的要求援硅和砷化镓等传统材料制成的功率器件的性能已经没有太大的提高空间袁而且不能在高温等恶劣环境下工作援杂蚤悦材料具有禁带宽度大尧热导率高尧击穿电场高和辐射容限高等优良特性袁成为制备新一代功率半导体器件的首选材料咱员暂援目前杂蚤悦肖特基二极管渊杂月阅冤已经商用并在电力电子领域显示了优越的性能咱圆要源暂援

杂蚤悦全控型功率器件的发展相对较慢袁由于受

圆郾模型与参数

熟的栽陨鄄灾允云耘栽的结构袁如图员所示援该结构采用摇摇杂蚤悦月允云耘栽的器件结构可以采用目前比较成

限于杂蚤悦酝韵杂界面层的质量袁杂蚤悦功率酝韵杂云耘栽和

陨郧月栽至今未能投入商用援杂蚤悦允云耘栽是电压控制的

刻蚀的方法形成纵向沟道袁采用偏角离子注入的方法形成栅区援由于多了栅鄄沟责灶结的电导调制效应袁从工艺上可以采用降低外延掺杂尧减小栅间距等方法获得更好的关态特性袁增加了器件设计的灵活度袁降低了工艺难度援杂蚤悦月允云耘栽的工作机理如下院

件处于关态曰此时仅有微小的漏电流经过器件袁器件处于关态援

当灾早泽为正但较低时袁沟道中的势垒降低袁器件灾早泽臆园时袁栅沟责灶结的耗尽层将沟道夹断袁器

单极型器件袁具有开关速度高尧输入阻抗高尧高温特性好尧制备工艺成熟等优点袁成为近年来发展速度最快的杂蚤悦功率器件之一咱缘要愿暂袁并成为继杂蚤悦杂月阅之后第二种商用的杂蚤悦电力电子器件咱怨暂援

在电力电子技术中袁常关型器件比常开型器件

有着更广泛的应用援但是由于杂蚤悦工艺和器件结构的特点袁常关型杂蚤悦允云耘栽的制备不但工艺难度大袁而且开态电阻难以降低援为了调和杂蚤悦允云耘栽的关态

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电流上升援栅极注入的少数载流子可以忽略袁器件的电流为多子电流袁此时器件工作于单极模式援

的少数载流子曰沟道中的势垒进一步降低袁源区电子注入袁在沟道区和外延层一定范围内形成高浓度的电子鄄空穴等离子体袁使得所在区域发展成为准中性区并产生显著的电导调制效应援此时杂蚤悦月允云耘栽工作于双极模式袁器件处于开态援

器件由开通转为关断时袁需要将沟道中的少数载流子清除援因此袁杂蚤悦月允云耘栽比杂蚤悦允云耘栽开关速度慢援设置月允云耘栽的工作点时袁需要在正向特性与开关速度之间折中援

允云耘栽的功率特性袁仿真采用的器件结构如图员所示袁主要物理模型与参数如表员所示援

表员摇物理模型与参数

禁带宽度辕藻灾迁移率辕糟皂圆灾原员泽原员

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园郾远员当灾早泽为正且足够大时袁栅极向沟道中注入大量

采用陨杂耘栽悦粤阅员园郾园仿真研究了双极型杂蚤悦

图员摇杂蚤悦月允云耘栽结构剖面图

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晕粤猿郾仿真结果与讨论

摇摇采用图员所示的器件结构以及上述模型与参数对杂蚤悦月允云耘栽的电学特性进行了研究援

猿郾员郾开态特性

晕糟泽造越晕凿蚤则枣贼越缘伊员园员缘糟皂原猿援

摇摇图圆是杂蚤悦月允云耘栽的开态特性袁其中宰越员滋皂袁

从图中可以看到袁当灾早泽约猿灾时袁栅极的注入

图圆摇杂蚤悦月允云耘栽的开态特性摇渊葬冤输出特性曰渊遭冤灾凿泽越园郾缘灾的微分开态电阻与栅极电流

员园苑猿园源鄄摇圆

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电流较小袁与漏电流相比可以忽略袁此时器件处于单极模式袁陨鄄灾特性类似一个常关型的允云耘栽曰当灾早泽跃猿灾时袁栅源二极管正向开启袁注入少数载流子袁

电导调制效应出现袁此时器件处于双极工作模式袁陨鄄灾特性类似于月允栽援猿郾圆郾结构参数的影响

摇摇传统结构的常关型杂蚤悦允云耘栽袁如何折中开态电在沟道区域增加一个电流增强层以降低开态电阻援而对于杂蚤悦月允云耘栽袁由于存在栅极责灶结的正向注入袁沟道区域的掺杂浓度对月允云耘栽开态电阻的影响不像对允云耘栽那样敏感袁仿真结果如图猿所示袁其中宰越员滋皂援

图源摇不同沟道宽度的开态电阻

阻和关态特性是器件设计中的难点援常见的方法是

猿郾猿郾瞬态特性

摇摇当杂蚤悦月允云耘栽处于开态时袁沟道中有大量的非余的载流子抽取完后才能转为关态援图缘是不同栅压工作时杂蚤悦月允云耘栽的开关特性袁其中宰越员滋皂袁通和关断都是几灶泽曰栅压为源灾时袁器件的开通时间晕糟泽造越晕凿蚤则枣贼越缘伊员园员缘糟皂原猿援栅压为猿灾时袁器件的开

平衡载流子曰当器件从开通转为关断时袁需要将多

超过员园园灶泽袁关断时间超过缘园园灶泽援仿真结果表明袁月允云耘栽的开关时间比允云耘栽有明显上升援而在实际应用中袁月允云耘栽的开关时间还受栅极反抽电流大小

等因素的咱员员暂援从理论上分析袁采用肖特基接触

图猿摇不同沟道掺杂浓度的开态电阻

替代责灶结作为月允云耘栽的栅极咱员圆暂袁或者降低沟道区方法袁可以解决这个问题援

域的少子寿命渊如辐照尧掺入深能级杂质等冤等工艺

仿真结果表明袁不同的掺杂浓度对于器件开态电阻的影响都是在单极模式下才明显援随着栅极电压的升高袁由于电导调制效应的作用袁掺杂浓度对器件的开态电阻的影响不再明显援因此在杂蚤悦月允云耘栽的器件结构设计和工艺制备中可以尽量降低特性援

对于普通的杂蚤悦允云耘栽袁沟道宽度是器件功率特性的敏感参数袁同时影响着器件的开态电阻和关态特性援图源是不同沟道宽度的杂蚤悦允云耘栽的开态电阻袁其中晕糟泽造越晕凿蚤则枣贼越缘伊员园员缘糟皂原猿援当沟道宽度减小至园郾缘滋皂时袁在双极工作模式下袁开态电阻与宰越员滋皂时的仅有较轻微的退化袁显示了优越的功率沟道区和漂移区的掺杂浓度袁以获得更良好的关态

特性援

图缘摇不同栅极偏压下的开关特性

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源郾结论

比袁杂蚤悦月允云耘栽的双极工作模式可以更有效的调和开态电阻和关态特性之间的矛盾袁而不改变器件结构或者增加工艺复杂度袁具有巨大的发展潜力援同时袁该器件有两个缺点院一是双极工作模式会延长器件的开关时间袁降低工作频率曰二是开态和开关过程中袁需要栅极驱动电路具有较大的功率援

分析了杂蚤悦月允云耘栽的工作机理并仿真了其功率特性援研究结果表明袁栅极责灶结的正向注入可以有效的降低器件的开态电阻援与常规的杂蚤悦允云耘栽相

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