基于宽禁带半导体4H-SiC的功率IGBT模型及特性研究

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本文系统研究了4氢碳化硅(4H-SiC)材料的物理性质,分析计算了4H-SiC宽禁带半导体材料的禁带宽度Eg和载流子迁移率μ等材料参数,并依据文献报导的4H-SiC的电离率特性曲线推算出用于模型计算的4H-SiC电离率的理论计算公式,基于半导体物理与器件物理理论,建立了4H-SiC绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件外部特性计算的物理模型。用MATLAB仿真模拟软件计算并给出了4H-SiC IGBT的输出I-V特性曲线以及器件漏源击穿电压VB与外延层(n-区)掺杂浓度NB和外延层厚度W,导通电阻RON与器件击穿电压VB,开关时间ton与漏源额定电压Vds等关系曲线。在相同设计和工艺条件下,与传统硅材料功率IGBT性能进行比较,结果表明:第一,对于半导体pn结,平行平面结对应无穷大结深,是实现最大击穿电压的理想条件。而实际的pn结,不论是对硅还是对4H-SiC,掺杂浓度随击穿电压增大而降低,及外延层厚度随击穿电压增大而增大的趋势是相同的。第二,对耐压2000V以上的器件,相同击穿电压条件下,4H-SiC器件的外延层掺杂浓度比硅器件高约一个数量级,而其外延层厚度和导通电阻分别约为硅器件的15%,因而,对同一漏源击穿电压的器件,用4H-SiC材料制作可选取比硅材料更高的外延层掺杂浓度和更薄外延层厚度,从而使器件具有更小的导通电阻和更快的开关速度;第三,4H-SiC材料的载流子迁移率小于硅材料的迁移率,从而,用同一设计规则设计同等面积的芯片,在相同偏置条件下,4H-SiC器件的漏源输出电流比硅器件小。
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