【摘 要】
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随着现代工业的进步与功率半导体技术的发展,碳化硅（SiC）功率器件作为“新起之秀”受到越来越多的关注,被称为是推进新能源消费革命的绿色环保器件。SiC MOSFET更是以其独特而优越的电学性能,在高频、高压、大功率的应用领域占有举足轻重的地位。虽然SiC MOSFET具有极大的市场优势和普遍的应用场景,但目前商业化程度不高,仍然存在一些设计和工艺上的技术瓶颈。首先是高压应用中,阻断状态下由于栅氧化
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随着现代工业的进步与功率半导体技术的发展,碳化硅（SiC）功率器件作为“新起之秀”受到越来越多的关注,被称为是推进新能源消费革命的绿色环保器件。SiC MOSFET更是以其独特而优越的电学性能,在高频、高压、大功率的应用领域占有举足轻重的地位。虽然SiC MOSFET具有极大的市场优势和普遍的应用场景,但目前商业化程度不高,仍然存在一些设计和工艺上的技术瓶颈。首先是高压应用中,阻断状态下由于栅氧化层较高的峰值电场,容易被提前击穿;其次是续流应用中,体二极管导通电压较高,且存在双极退化效应;最后是器件的功耗依然需要更进一步优化,包括导通功耗和开关功耗等。本文针对以上问题,为进一步提升SiC MOSFET的静态特性,并改善其动态性能,提出了两种新型的4H-SiC UMOSFET结构,并通过Sentaurus TCAD仿真软件对结构进行工作机理的探究、电学特性的剖析以及关键参数的优化。1、提出一种集成异质结和分离栅的双槽4H-SiC MOSFET（HS-DTMOS）。该结构采用分离栅,减小了栅极和漏极的耦合面积,直接降低栅漏电容。在两个分离栅中部和下方淀积“凸”状的P型多晶硅,与漂移区形成异质结,由于异质结的势垒高度远比PN结的低,可在反向导通模式下抑制体二极管的开启,提高反向导通能力和反向恢复特性。除此之外,该结构还采用了双槽技术,并在源极槽周围和栅极槽的下方分别离子注入PR区域和P型屏蔽层,一方面有效改善漂移区的电场分布,保护栅氧化层和异质结;另一方面将部分的栅漏电容转换成栅源电极的耦合电容,间接减小栅漏电容,提高开关特性。仿真结果表明,与常规的SiC MOSFET相对比,新结构的Baliga优值FOM(BV2/Ron,sp)从0.44 GW/cm2提升至0.86 GW/cm2,增长幅度高达95%;新结构的反向导通电压仅为-0.82V,明显低于-2.63V;新结构的开关损耗从3.95 m J/cm2降至1.42 m J/cm2,降低幅度达64%。2、提出一种具有屏蔽栅和异质结的半超结双槽4H-SiC MOSFET（SHS-DTMOS）。该结构在源槽外延注入P条区域,与漂移区形成半超结,一方面通过辅助耗尽来提升器件的静态性能,降低导通功耗;另一方面可以保护栅氧化层和P条区上方的P型多晶硅/漂移区异质结,并可通过电容的转化来改善开关特性。另外,该结构将栅极分为控制栅和接源电位的屏蔽栅,且屏蔽栅的氧化层更厚,极大降低了栅漏电荷,降低开关功耗。仿真结果表明,与常规SiC MOSFET相对比,新结构的Baliga优值FOM从0.86 GW/cm2提升到2.70 GW/cm2,涨幅高达214%;新结构的反向导通电压仅为-0.42V,比-2.77V改善了85%。新结构的开关损耗从3.03m J/cm2降至0.77 m J/cm2,提升幅度高达75%。
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