100A/1200V Si JBS的设计与参数优化

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作为一种新型的复合型二极管,结型势垒肖特基二极管(Junction Barrier ControlledSchottky Rectifier,缩写JBS)具有大电流、高耐压、高开关速度、高浪涌电流抗性的优点。本论文的主要工作为设计一种正向电流为100A、耐压为1200V的可适应于国内晶闸管制造工艺的硅基JBS器件。本次设计首先通过对JBS的工作原理进行分析,并结合国内晶闸管制造工艺,初步确定了硅JBS器件的基本材料参数和元胞的结构参数。之后为了获取较高的耐压,采用场限环结构,通过对柱坐标系泊松方程的求解,确定了场限环的数目和场限环间距等基本结构参数。利用SILVACO TCAD器件仿真工具Atlas对所得的硅JBS器件初步结构进行了电学特性仿真,结果发现初步结构的击穿电压未达到设计要求。为了提高击穿电压,减少突变结近似引入的误差,将双质扩散结近似为两个单边线性结的线性叠加,并对其电学特性进行了研究。根据研究所得结果对场限环进行了优化设计,调整了场限环间距和场限环宽度,进而利用SILVACO TCAD Atlas对优化后的硅JBS器件结构进行了击穿特性仿真,结果发现其击穿电压仍不能满足设计要求。为了进一步优化结构,提升击穿电压,提出了三种改良方案:降低漂移区浓度、增加结深、增加场限环数目或N+场终止环。在分别采用了其中的后两种方案后分别获得了击穿电压在1400V以上、结深分别为50μm和30μm、场限环数目分别为2个和3个的总共7种不同场限环宽度和间距的硅JBS器件结构。在器件的击穿电压达到设计指标后,于满足耐压指标的两种结深的总共7套硅JBS器件结构中分别选出一种结构,对其正向特性和瞬态特性仿真结果进行了分析对比,并选取这两种硅JBS器件结构用于虚拟样品的制造和测试。由于本次设计采用了场限环结构,要求场限环间距处处相同,因此提出了圆形和正六边形两种版图方案。综合考虑后,采用正六边形版图结构并计算了对应于所选的两种硅JBS器件结构的版图参数。之后利用SILVACO TCAD工艺仿真工具Athena对所得的器件结构进行了虚拟制造。并利用SILVACO TCADAtlas对虚拟样品进行了电学特性方面的仿真测试和验证。测试发现两种硅JBS器件的虚拟样品的击穿电压、正向电流密度和关断时间等均有一定程度的削弱,但仍符合设计指标要求。通过对器件结构的优化及对虚拟样品的制造与测试,最终获得了结深分别为50μm和30μm、击穿电压分别为1440V和1470V、关断时间分别为12.5ns和5ns的可适用于晶闸管制造工艺的正向电流为100A的硅JBS器件结构和相应的版图及参数。
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