高压SiC IGBT埋岛增强型新结构与模型研究

Aimed at the fundamental problem of high-voltage SiC IGBT devices, a novel device structure and model are studied in this project. First, a current enhanced high-voltage SiC IGBT with buried islands (SiC BIE-IGBT) is proposed. Utilizing the electrical field modulation effect derived from the additional charges of the buried islands, the negative effect of the current enhancement layer (CEL) with high doping concentration on the breakdown voltage (BV) is shielded and high BV is obtained for the proposed structure even with high-doped CEL. Therefore, enhanced conduction modulation and optimized carrier distribution are obtained in the drift region of the proposed SiC BIE-IGBT device. As a result, a high performance SiC IGBT with reduced forward voltage drop as well as decreased turn off loss is obtained. Meanwhile, utilizing the shielding effect of buried islands on the oxide layer in JFET region, oxide layer breakdown and the injection of electron into oxide layer under high electric field are avoid and a high reliable SiC IGBT is obtained. Second, a novel SiC IGBT analytic breakdown model is proposed, which includes the impact of the parameters of buried islands and CEL. Therefore, the proposed model provides a theoretical guidance for SiC IGBT design. Based on the above work, experimental study for the proposed SiC BIE-IGBT structure is conducted. This project is a fundamental research on the SiC power devices and it will play an important role in progressing of wide band-gap semiconductor power devices.

本项目针对制约SiC IGBT器件的基础问题开展新结构与模型的创新研究：①提出高压SiC IGBT埋岛增强型(SiC BIE-IGBT)器件新结构，所提出的结构通过埋岛引入的附加电荷的电场调制作用，屏蔽高浓度电流增强层（CEL）对器件击穿特性的影响，在获得高击穿电压的同时具有高的CEL浓度，从而增强器件漂移区内的电导调制并优化载流子浓度分布，降低器件的正向导通压降并改善器件的关断损耗特性，获得高性能的SiC IGBT器件，同时埋岛结构对JFET区电场的屏蔽作用可降低器件JFET区氧化层的电场，避免器件JFET区氧化层的击穿以及高电场下电子向栅氧化层的注入，提高器件的可靠性；②提出SiC IGBT阻断电压模型，该模型包含埋岛和CEL参数的影响，为SiC IGBT的设计提供理论指导。在此基础上，开展新结构关键制备技术的研究。本项目是一项器件物理与方法的应用基础研究，具有十分重要的意义。

SiC IGBT结合了SiC材料和IGBT器件的优点，是应用于固态变压器、高压脉冲电源、高压逆变器、柔性交流/直流输电系统、高压直流输电系统、静止无功补偿器等高压大功率领域的理想功率开关器件之一。虽然SiC IGBT器件的研究取得了很大的进展，但是仍然不能满足系统对器件性能的要求，其中首要的问题仍然是高阻断电压下大的正向导通压降和关断损耗，使SiC IGBT器件的功率能力和应用频率受到了严重的限制，难以发挥其材料和器件的优势，而究其根本原因则是高压SiC IGBT器件长漂移区内较弱的电导调制效应，以及不够优化的载流子浓度分布。. 本项目针对制约SiC IGBT器件的基础问题开展新结构与模型的创新研究，取得的成果包括：①开展了N型和P型SiC CEL-IGBT特性对比研究，通过系统的分析表明N型器件比P型器件具有更好的性能优势和应用前景，是SiC IGBT研究的主攻方向；②针对传统SiC CEL-IGBT结构的不足，提出SiC BICEL-IGBT器件新结构，并系统研究了BI结构作用的物理机制，深入分析了BI结构厚度、浓度等参数对器件稳态和瞬态特性的影响；③建立了SiC BICEL-IGBT器件新结构阻断电压解析模型；④开展了SiC MOS型器件关键制备技术的研究，制备了高压SiC MOSFET器件样品并完成了性能测试。. 作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，基于SiC材料的功率半导体器件广泛应用于大功率、高温、高频和抗辐照等领域。本项目作为一项SiC器件的应用基础研究，符合当前节能减排、绿色地球的新能源发展战略。本项目从器件物理的层面入手研究SiC IGBT器件的基础问题，揭示其机理，为该类器件的发展提供理论和技术基础，具有十分重要的科学价值和现实意义。