超高压4H-SiC MOSFET器件设计及关键工艺研究

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碳化硅(SiC)器件由于具有高压大电流、高频低功耗等优势,显著推动了电力设备高效低能耗及轻量小型化的发展,从而备受关注。尤其在超高压应用领域,碳化硅器件可以替代传统硅(Si)器件,并且无需复杂的串并联结构,减少了系统元器件数目,简化了电路拓扑结构,提高了电能转换效率。本文旨在研制击穿电压10kV以上的超高压4H-SiC MOSFET器件。首先,通过理论计算与仿真验证确定了选用的外延材料厚度及掺杂浓度,紧接着对元胞结构的主要参数进行了仿真优化,确保所选用的参数条件满足超高压器件设计要求。为了满足超高耐压的设计目标,本文提出了多区调制场限环技术,通过仿真优化设计确认了新结构的最优化参数,并且比较了新结构与传统结构在阻断特性、剂量窗口及电荷敏感度等方面的特性。之后,对超高压SiC MOSFET研制过程中的关键工艺技术进行了研究,对4H-SiC MOSFET刻蚀工艺及欧姆接触工艺的难点问题进行了分析。通过对关键工艺技术的研发,获得了满足工艺需求精度的刻蚀工艺以及比接触电阻率为10e-5Ω·cm2的良好N型欧姆接触。最后,基于国内碳化硅流片工艺平台,完成阻断电压10kV以上的超高压4H-SiC MOSFET器件的流片与测试工作。测试结果表明,应用了多区调制场限环终端技术的4H-SiC MOSFET耐压达到了13.6kV,终端效率为95%,相比传统等距环结构,击穿电压提高了40%,证实了新结构在击穿电压效率上的提升。本论文通过开展超高压4H-SiC MOSFET器件的仿真设计、工艺开发、流片实验及测试工作,为国内超高压4H-SiC MOSFET器件的研究提供了一定的参考。
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