碳化硅BJT功率集成基础技术研究

There is an urgent demand for high temperature power semiconductor devices and power modules to satisfy the stringent requirements of high temperature and high reliability power conversion applications in the fields of aerospace, energy and defense. This project focuses on SiC BJT，which has the highest temperature record in all commercial power semiconductor devices. To overcome drawbacks of silicon devices, such as low operating temperature and large parasitic inductance, this project proposes power integration technology based on SiC BJT as a solution. A valid model describing electrical dependence on temperature and base current for will be made for SiC BJTs and circuits. From the perspectives of electromagnetic field and temperature field as well semiconductor device physics, mechanism of coupling among power BJTs and signal BJTs in the monolithically integrated power module will be clarified. Circuits design and processing technology to suppress coupling will be explored by means of electromagnetic compatibility and thermal design optimization. High power density integration and monolithic integration for SiC BJT based power modules will be realized by devices and circuits optimal design, reasonable integration scheme, and fabrication. Develop the device optimization, power integration processing and prototype fabrication. The project will provide theoretical foundation for power electronic systems of high-temperature tolerance, high reliability and high-power density, and result in independent intellectual property.

航空航天、能源、国防等领域对耐高温、高可靠性、高功率密度的电力电子器件和功率模块需求迫切。本项目选择商用电力电子器件中工作温度最高的器件SiC BJT为研究对象，针对传统硅基驱动电路耐高温特性差、杂散电感大等难题，提出基于SiC BJT的功率集成技术。建立能有效描述电学特性随温度和基极电流等关键参数变化的SiC BJT模型，为SiC BJT功率器件、驱动单元和电力电子系统的优化设计提供工具。基于半导体器件物理，从电磁场和温度场等角度揭示SiC单片集成功率模块内功率BJT与信号BJT的耦合机理。利用电磁兼容和热设计的优化提出抑制耦合的设计和工艺方法。通过器件优化设计、电路拓扑合理选型、功率集成工艺和实验样片研制，实现SiC BJT功率模块的高功率密度封装集成和单片集成。项目的开展将为耐高温、高可靠性、高功率密度的电力电子系统提供理论基础，形成具有自主知识产权的功率集成技术。

航空航天、清洁能源、国防等应用领域对耐高温、高可靠性、高性能一体化集成功率模块的需求日益增加，然而传统硅基电力电子系统却面临耐高温特性差、杂散电感大等技术难题。本项目选用电力电子器件中工作温度最高的SiC BJT作为研究对象，围绕基于SiC BJT的功率集成技术开展了一系列基础性研究工作。首先构建了基于SiC BJT的单片集成功率芯片结构体系，并利用二维数值仿真软件，对SiC功率BJT、横向小信号SiC BJT的电学特性进行了优化设计，得出了结构、材料参数的最优值，并在集成逆导型SiC BJT器件边界引入耐压保护环，将器件的正向阻断电压由400V提升至了1200V以上，从而为后续研制单片集成功率芯片奠定了坚实的器件基础。其次，本项目提出了一种“浅沟槽隔离+自隔离+半绝缘结构隔离”的组合型隔离方案，并利用深能级钒离子注入，将SiC外延层特征导通电阻由10.8mΩ·cm2提高至3.84MΩ·cm2，也即其电阻率提高了8个数量级，从而为实现SiC单片功率集成技术器件间的电气隔离提供了一种新的选择方案。再次，本项目开展了关键单步工艺的探索和研究工作，并通过深入对比分析SiC功率BJT，横向小信号SiC BJT和无源电阻等制备工艺，设计了一套高度兼容SiC功率BJT与横向元器件及功能性集成电路的制备工艺方案，并采用该兼容性工艺方案在同一外延片成功同步制备了SiC功率BJT和横向小信号SiC BJT，从而为后续实现基于SiC BJT的单片集成功率芯片奠定了坚实的工艺基础。最后，在深入分析SiC/SiO2界面复合效应的基础上，利用一个理想因子为2的二极管将SiC/SiO2界面复合效应模型嵌入到Gummel-Poon模型中，建立并验证了SiC功率BJT与横向小信号SiC BJT的SPICE模型，从而为单片集成型功率芯片的设计和应用提供了充足的器件库模型。项目的开展证实SiC BJT功率集成在技术上是可行的，对我国SiC功率集成电路的发展具有一定的指导意义。