基于Silvaco TCAD的4HSiC功率BJT器件仿真.docx
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基于SilvacoTCAD的4HSiC功率BJT器件仿真
基于SilvacoTCAD的4H-SiC功率BJT器件仿真
[摘要]碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的代表,由于具有宽禁带、高击穿电场、高热导率等优异特性,使其在高温、大功率、高频、抗辐射等领域应用前景广阔,其研究广为关注。
在商用的SiC材料中,4H-SiC具有更高的体迁移率和更低的各向异性,使其更具优势。
大功率4H-SiCBJT是非常具有竞争力的器件种类,可以广泛应用于诸如航空航天、机车牵引、高压直流输电设备、混合动力车辆等国计民生的重要领域。
然而,4H-SiCBJT较低的击穿电压、低的共发射极电流增益、较低的频率响应以及较差的可靠性限制了其在功率系统领域的发展,也使得在这一方面的研究成为热点。
本文首先完善了碳化硅新材料在仿真器Silvaco-TCAD中的物理模型,这包括迁移率模型、禁带宽度变窄模型、杂质不完全离化模型、碰撞电离模型、SRH产生一复合模型与俄歇复合模型等。
然后,讨论了4H-SiCBJT器件制作的工艺流程,并对关键工艺如欧姆接触工艺、刻蚀工艺以及离子注入工艺等进行了简要的介绍。
研究结果表明,仿真器可以正确的模拟碳化硅新材料特性,提出的结构击穿电压由于在结终端处做了优化的终端处理和采用缓冲漂移层,具有更高的耐压能力,更低的功耗和反向泄露电流;采用的P型薄层基区加速了少子在基区的运动,提高了电流增益,所设计结构更能适用于大功率电力电子系统应用。
[关键词]4H-SIC功率BJT器件物理Silvaco-TCAD
Researchon4H-SICPowerBJTDevieeSimulation
LinCheng
NO.2010850060,Electronicscienceandtechnology,2014
InformationEngineeringCollegeofJimeiUniversity
Abstract:
Astherepresentativeofthethirdgenerationsemiconductormaterial,SiliconCarbide(SiC)isthepromisingcandidateinapplicationofhightemperature,highpower,highfrequency,anti-radiationfieldsbecauseofitsexcellentpropertiessuchaswide-bandgap,highbreakdownfield,highthermalconductivity.AmongthecommerciallyavailableSiCtypes,4H-SiCisthemostattractiveoneduetoitshigherbulkmobility,loweranisotropy.Continuousresearchhasbeendonethroughpastdecades.Highpower4H-SiCBJTisverycompetitiveinpowerdevicefamily,whichiswidelyappliedinbothmilitaryandcivilianusesuchasaerospace,traction,HVDCfacility,HEV.However,thelowblockingvoltage,lowcurrentgain,lowfrequencyresponseandweakreliabilityof4H-SiCBJTrestrictitsapplicationinpowersystem.Firstly,thephysicsmodelsofnewmaterialsinsimulatorSilvaco-TCADwereimprovedinthepaper,includingmobilitymodel,band-gapnarrowingmodel,dopingincompleteionizationmodel,impactionizationmodel,SRHandAugergeneration-recombinationmodel;thesimulationcanbedonesuccessfullyundertheaccuratephysicsmodels.Thentheprocessflowwasdiscussed,criticalprocessessuchasOhmiccontact,patternetchprocessandionimplantationarealsobeendiscussed.ResearchresultsindicatethatthesimulatorisaccuratetosimulatetheSiCmaterialcharacteristics,thenewstructureproposediswithblockingvoltages1450V,currentgain52,higher45%and30%thantraditionalstructure1000Vand40respectively.Andthepeakelectricalfielddecreasesfrom3MV/cmto2.3MVlcm.Atthesametime,thenovelstructureiswithlowerpowerlossandreverseleakagecurrent,canbeappliedbetterinhighpowersystem.Finally,thefrequencyresponseandpowerlossarediscussedindetailaccordingtophysicsanalysis.
Keywords:
4H-SiCPowerBlTDevicePhysicsSilvaco-TCAD
目录
目录1
引言1
第一章绪论2
1.1课题研究背景及意义2
1.2碳化硅功率器件发展回顾2
引言
电子技术有两大分支,即微电子技术(Mieroelectronies)和电力电子技术(PowerEleetronics)。
微电子技术在朝着小型化高速低功耗的方向迅猛发展,而电力电子技术则在高压大功率方向阔步迈进。
在上个世纪,硅基器件成为市场上的主要生力军,各类IC产品及分立器件都离不开硅材料。
稍后,以GaAs为代表的第二代半导体材料依靠其高迁移率等优势,迅速发展起来。
到本世纪初,随着低碳环保概念的提出,节能降耗、提高能源利用率已成为大家日益关心的问题。
在不久前的哥本哈根会议上,世界各国都对节能提出了各自的意见,电能的消耗占据人类总耗能的大部分,约60%的能量在电能传输与转换的过程中浪费。
在这过程中,起主要作用的是电力电子器件,也称功率器件(Powerdevice)。
在这种情况下,性能远远好于传统的第一代硅基器件的碳化硅(SiC)电力电子器件受到人们青睐,以SiC和GaN为代表的第三代半导体材料掀起新的一轮热潮。
碳化硅(SiC)依靠其特有的材料特性,基于它制造的各类功率半导体器件,广泛应用于事关国计民生的诸多领域。
其研发和生产,得到了世界各强国的重视、支持和推动。
在高压、大电流、高频、高温、宇宙射线的环境下,SiC器件的表现完全令人振奋,被称作理想的功率半导体材料。
目前,SiC研究的热点主要是其在电力电子开关器件领域的应用,这样可以发挥其自身材料的独特优势。
由于SiC是Si之外唯一能够通过热氧化生长绝缘氧化层的化合物半导体材料,这意味着它能够与己经成型的Si器件工艺相兼容,这样可以发挥现有工艺优势,方便地制作Mos结构器件,易于集成。
SiC外延生长技术、器件工艺制造技术、光电器件开发、集成电路制造等方面如能取得突破,定将会为军用系统的完善和武器装备性能的提高提供巨大帮助。
SiC是21世纪极端电子学半导体首选材料,美国制定了“国防与科技计划”,日本制定了“国家硬电子学计划”。
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
功率半导体器件在电力电子应用系统中处于非常重要的地位,是电力电子技术中进行电能变换、功率控制和处理,以及实现能量管理调节的核心器件。
功率半导体器件应用非常广泛,从日常生活使用的计算机、汽车、数码相机等消费类电子到电气自动化中的大功率变换设备,以及远距离高压电力传输中用到的设备等。
经常长期的发展和技术的进步,以桂(Si)材料为基础的半导体功率器件在功率系统应用中获得了广泛的应用并占据了主导地位。
但是随着桂工艺的足够成熟,以桂材料为基础的半导体功率器件的性能在许多方面已经接近并达到其理论极限,通过器件结构的创新以及制造工艺的改善,己经没有太大的空间。
并且由于桂材料的固有局限,如窄的禁带宽度、低的热电导率和低的临界击穿电场,其在高压、大电流和高温场合中的应用受到很大的限制。
以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的新型宽禁带半导体材料恰好具有硅材料不具备的优势。
这些新型半导体材料具有宽带隙、高热导率、高电子饱和漂移速度、以及耐高压高温和抗辐射等优点,非常适合大功率、高频高温半导体器件。
碳化硅(SiC)等宽禁带半导体材料相对于硅(Si),禁带宽度(Eg)高2-3倍、临界击穿电场强度(Ec)高10倍、电子饱和漂移速度高2-3倍、热导率高2-3倍等,这些优势使得新型宽禁带半导体材料具有非常广阔的应用前景并被称为第三代半导体材料。
近十年来,碳化硅衬底以及器件制造工艺(外延生长技术、欧姆接触技术以及反应离子刻烛技术等)取得了重大的进展。
2007年5月,Cree公司推出零微管缺陷(ZMPTM)的直径lOOtnm(4英寸)N型4H-SiC衬底。
由于元件厂商的大部分生产线支持4英寸以上的晶圆,因此4英寸以上的高品质SiC衬底备受欢迎。
正因为如此,碳化硅在各类新材料中脱颖而出,碳化硅功率器件也受到越来越多的关注国际上许多公司和大学关于碳化硅功率器件的研究也越来越多,并取得了令人瞩目的进展。
碳化硅器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件。
在各种碳化硅(SiC)功率开关器件中,双极型晶体管(BJT)是一种非常
具有前景的器件与硅(Si)双极型晶体管相比,碳化硅双极型晶体管(SiCBJT)不受到二次击穿等问题限制。
和其他两种碳化硅功率开关器件(JFET和MOSFET)比较起来,其没有JFET器件的栅极驱动的问题,抑或MOSFET氧化层界面稳定性和沟道迁移率的问题。
除此之外,碳化硅双极型晶体管(SiCBJT)还具有易于封装的优点。
因此对4H-SiCBJT功率器件的特性和结构进行研究非常有必要而且具有重要的意义。
1.2碳化硅功率器件发展回顾
近年来,SiC功率器件在一系列应用领域都取得了令人膛目的成就。
对于SiC材料来讲,增大SiC衬底晶圆的尺寸,是降低SiC制造成本、提高SiC功率器件性能的关键。
世界上具有生产SiC晶片的能力最主要的就是美国Cree公司,Cree公司几乎垄断了全球SiC供应的一半以上。
在2011年度ICSCRM国际会议期间可以看到,许多参展的SiC衬底厂商手里都有直径为6英寸(150~)的SiC产品展示,主要为美国Cree公司、新日本制铁(Denso)、美国DowCorning公司以及美国贰陆(11一Vl)公司。
其中新日本制铁和美国DowCorning公司以2012年内供应样品为目标,而美国贰陆公司则提出了2013年样品供货的目标。
日本普利司通(Bridgestone)公司展出了直径为5英寸的SIC衬底晶圆。
目前普利司通还没有投产5英寸SiC衬底的打算,该公司提出的目标是在2012年下半年(7一12月)开始量产口径更大的6英寸产品。
SiC功率器件的研发开始于1990年代,相继得到美国、日本和欧洲各国的重视和关注,在多家高校、研究机构和企业的参与下,至2000年以后形成研究热潮,并开始有小规模的商业化量产。
研究制作SIC器件的公司主要有德国英飞凌(ln仙eon)公司、日本三菱电机(Mitsbushi)、富士电机(Fuji)、东芝株式会社(Toshiba)以及美国Cree公司等,研发中心主要集中在欧美日三大阵营。
器件研发模仿己有的si器件结构进行,
主要包括如下几种,如图所示:
图1-1碳化硅电力电子器件种类
这里有功率二极管(单极型:
肖特基势垒二极管SBD、结势垒肖特基二极管JBS;双极型:
PiN二极管)、功率晶体管(单极型:
MOSFET、JFET等;双极型:
BJT、IGBT),以及门极关断晶闸管(GTO,双极型)等。
其中P训二极管和GTO器件,最高甚至己实现20kV耐压,其余也达到或接近IOkV。
它们的通态电阻明显低于同等电压级别的Si器件(或其串联),单芯片器件(商品或实验室样品)电流容量可达几十安培。
2001年以来,意法半导体(STMicroelectronicS)公司和德国的英飞凌公司用于电源的SIC二极管目前已见诸于市场,体积较小的SIC二极管和MOS场效应晶体管以及相继推出的第三代sic薄型肖特基二极管,在市场上获得热烈追捧l7]。
日本罗姆公司(Rollin)于2008年开发出了电流300A,耐压660V的SiC二极管样品。
美国科锐(Cree)公司与Powerex公司于2009年合作推出了双开关耐压1200V、电流容量100A的SiC功率模块。
现在,美国Cree公司和日本ROhm公司在业界生产SiC的MOS场效应晶体管推放到了市场,已经有耐压分别为60OV、120OV、1700V的产品上市,在其公司主页可以浏览相关信息。
SIC器件也被美誉为“环保时代的关键元件”。
SIC功率半导体已成为节能、高效、环保的代名词。
为此,汽车业界对SIC的期待也十分迫切,日本丰田公司、日产公司、本田公司相继投入大量人力、物力、财力开发Sic功率器件睁81。
汽车、电子、产业设备、逆变器装置、电源装置及电力等企业都对新一代SiC功率半导体给予了从未有过的极大关注。
由于SiC外延单晶材料内的缺陷目前还不能完全消除,其外延、离子注入后的退火、(栅)氧化、欧姆接触形成等技术与si工艺相比都有较大差别(至少要求更高温度),器件工艺、材料、结构对器件性能、可靠性和量产合格率的不良影响还在进一步探索之中,所以现在少量相对成熟能够商品化的器件还仅限于1.7kV以下的二极管和JFET,其余还都处于实验室研究阶段。
1.3碳化硅功率BJT国内外研究现状
(1)国外研究现状
国外SiC器件专利集中在MOSFET和JFET,有关BJT方面的美国专利仍是美国Cree公司居多,很多在中国境内申请的专利同时也在美国申请,部分中国未授权的专利在美国取得了授权。
另外业界著名的ABB公司、德国Infineon公司、美国Se而SouthLaboratories、美国南卡州立大学、北卡州立大学、普渡大学、Rutgers大学、日本Denso株式会社亦在SICBJT方面申请了专利,并获得美国授权。
(2)国内研究现状
我们国内的SiC行业处在起步阶段,西安电子科技大学碳化硅的研究比较早,早在1994年就已经开始,他们在碳化硅材料生长、欧姆接触、肖特基接触、氧化层制备、甚至二极管、MOSDET器件制作方面都有一定的研究。
成都的电子科技大学在SiC仿真、器件制造、建模等有一些探索。
中科院半导体所、中科院物理所等单位在材料和器件方面都开展了一些基础工作。
浙江大学也在进行SiC与功率器件相关项目。
中国电子科技集团五十五所和十三所、四十六所等也对4H-SiCBJT器件关键技术开展研究,对刻蚀、欧姆接触、金属化等问题开展相关实验,取得了一定的研究成果。
国内的这些高校、研究所、公司对SiC晶体生长、外延、关键制造工艺、肖特基二极管的制备、微波晶体管等方面进行过积极的探索,虽然取得了一定的成果。
然而,在功率器件的研究方面我国与美国、日本等国还存在一定差距,基础相对薄弱,亚待通过本项目及其后续国家级项目的开展,通过科研人员的努力以填补空白,为将来进一步跟上国际步伐,甚至形成竞争力量奠定坚实的基础。
1.4课题研究背景及意义
本文主要研究4H-SiC功率BJT器件结构设计与仿真,结合半导体物理与半导体器件物理,分析器件击穿电压和电流增益的各种因素,根据结终端的改进对器件耐压具有极为重要的作用,且增加漂移层会增大漂移层的耐压利用率的设计思想来优化设计新结构;同时,影响BJT电流增益的主要是少子的寿命因此希望通过加快少子在基区的渡越时间来获得较大增益。
然后,利用半导体仿真软件Silvaco一TCAD做电学特性仿真,并讨论了4H-SiCBJT的频率响应和功耗等,最后简要探讨碳化硅BJT的关键制作工艺。
第2章Silvaco-TCAD软件
2.1SilvacoTCAD简介
Silvaco名称是由三部分组成的,即“sil”、“ya”和“co”,从字面意思上不难理解到是‘硅’、‘谷’和‘公司’英文单词的前几个字母的组合。
Silvaco的中文名称叫矽谷科技公司。
TCAD就是TechnologyComputerAidedDesign,指半导体工艺模拟以及器件模拟工具,世界上商用的TCAD工具有Silvaco公司的Athena和Atlas,Synopsys公司的TSupprem和Medici以及ISE公司)的Dios和DessisoSynopsys公司最新发布的TCAD工具命名为Sentauruso。
(1)Silvaco拥有强大的功能;
(2)Silvaco提供了TCAD驱动的CAD环境,这套完整的工具使得物理半导体工艺可以给所有阶段的IC设计提供强大的动力;
(3)工艺仿真和器件仿真
(4)SPICE模型的生成和开发;
(5)互连寄生参数的极其精确的描述;
(6)基于物理的可靠性建模以及传统的CAD;
(7)所有这些功能整合在统一的框架,为工程师在完整的设计中任何阶段中所做更改而导致的性能、可靠性等效果,提供直接的反馈。
2.2Silvaco-TCAD器件仿真中的物理模型
4H-SiC是一种新型的半导体材料,在半导体仿真软件Silvaco-TCAD中没有相应的物理模型,需要自行建立。
碳化硅禁带宽度较宽,常温下本征载流子浓度极低,随着温度的上升,本征载流子的浓度也有所上升,下图为本征载流子浓度
与温度之间关系。
当计算机在解决漂移扩散方程时会因为本征载流子浓度低而出现收敛问题,因此碳化硅物理模型的完善意义重大。
本文根据最新文献报道,完善了碳化硅在仿真软件上的模型,主要包括迁移率模型、禁带宽度变窄模型、杂质不完全离化模型、碰撞电离模型、SRH产生一复合模型与俄歇复合模型。
2.2.1迁移率模型
在半导体材料中,Un,Up表征了载流子传输的散射机制,研究人员做过大量实验和蒙特卡罗(MC)模拟,这些都是模型建立的基础,模型描述了载流子迁移率随着掺杂浓度、温度和电场变化的情况。
晶格散射(声子散射)、离化杂质散射和压电散射是SIC在低场中限制载流子平均由程的主要机制。
在低电场下,电子速度随着电场线性增加。
广泛使用的低电场下的载流子迁移率模型是Caughey一Thomas模型。
2.2.2禁带宽度变窄模型
研究表明,所有的SIC都是间接带隙半导体,其中4H-SiC具有最大的禁带宽度3.26eV[1]。
对于4H-SiC禁带宽度与温度的关系,通常采用,通过数值拟合得到的禁带宽度模型[2]:
其中,T为晶格温度。
半导体材料中,重掺杂后都会产生导带、价带带边同时发生收缩,即禁带变窄效应(bandgapnarrowing,BGN)。
经过计算[3]SiC禁带边缘的变化量(△Eg),与Si材料相比,n型4H-SiC具有较大的△Eg,而所有多型体p-SIC具有几乎相同△Eg变化。
采用如下的两个BGN模型:
2.2.3杂质不完全离化模型
离化率对于器件的影响非常重大,SIC的杂质电离能相对较大,所注入的离子即使在高于室温的情况下,也不能全部电离。
很多情况下,对杂质不完全离化问题的处理是将杂质的离化能取为定值,这种方法是可取的,但如果在有电场存在的空间电荷区,电场会造成杂质离化能降低。
考虑电场的影响,我们采用如下模型[4]:
图2-2杂质电离率与掺杂浓度的关系
其中,EFn和EFP分别为电子和空穴的准n费米能级,ED和EA分别为施主杂质氮和受主杂质铝的能级EC-ED=65me,EA-ED=191meV。
图2-2、2-3为杂质电离率与掺杂浓度、温度的关系。
2.2.4碰撞电离模型
在描述器件的反向击穿特性时,需要用到碰撞电离模型。
在高电场的作用下,自由载流子可以获得足够的能量而引起碰撞电离(雪崩击穿产生),碰撞电离产生率可以表示为:
其中αn和αp分别为电子和空穴的碰撞电离系数,Vn和Vp分别为电子和空穴的漂移速率。
对于6H-SiC,αn和αp常用Chynoweth模型的selberherr模型[5]表示:
图2-4为Si和4H-SiC碰撞离化系数和电场之间比较[6]:
图2-4Si和4H-SiC碰撞离化系数和电场之间关系
2.2.5SRH产生一复合模型与Anger复合模型
关于4H-SICSRH产生一复合模型,我们采用传统SRH产生一复合模型[7]:
其中,tn0,p0为室温下本征半导体的电子(空穴)寿命,Ni为总的离化杂质浓度。
高浓度下会产生俄歇复合,俄歇复合的模型描述为[8]:
Cn和Cp分别为电子和空穴的俄歇系数。
2.34H-SIC功率BJT设计原则
对于SIC器件更多的采用垂直型以获得大的耐压能力,垂直型的功率半导体器件(verticalPowerdevice),在反向阻断的状态下,可以认为所加偏置电压是降落在较低掺杂的漂移区上。
漂移区的掺杂通常较低,施加一个较低的电压,电子便会在其中以较大速度运动,因此得名漂移区。
低的掺杂浓度和厚的漂移区会趋向获得较高的击穿电压。
功率器件通常包括穿通型(PT)和非穿通型困PT)两种。
当集电结上的反向电压增加时,集电结耗尽区向两侧扩展,基区宽度WB随之减小。
对于基区较薄且基区掺杂较轻的晶体管,当集电结反向偏置达到某一值玲,时,虽然还没有发生集电结的雪崩击穿,一但WB已减小到零。
这时在发射区和集电区之间,只有耗尽区而无中性基区,这个现象称为基区穿通现象,岭,称为基区穿通电压。
图2-5非穿通结构电场分布示意图
首先介绍一下非穿通型结构:
非穿通型结构如下图2.6所示,在这种情况下,根据泊松方程,反向偏压可以认为完全降落在轻掺杂耗尽层一侧,耗尽区的最大电场为:
图2-6为击穿电压和掺杂浓度的示意图:
图2-6Si和SiC中击穿电压和掺杂浓度关系
通过(2-13),可以得到,掺杂浓度和击穿电压之间的关系、击穿电压和耗尽区宽
度之间以及特征导通电阻与击穿电压的关系:
以及导通电阻的表达式:
下面介绍穿通型的器件结构,如图2-7:
图2-7穿通阻挡层电场分布示意图
对于某些功率器件,需要穿通结构的漂移区设计,在穿通结构的情况下,击穿电压与外延层掺杂的公式为:
这其中,Wp和N为漂移区的厚度和掺杂浓度。
第三章基于SilvacoTCAD的4H-SiC功率B
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