MPS二极管的少子特性仿真

混合pin/肖特基(MPS)二极管是广泛应用于电子电路中的快恢复功率器件,具有高击穿电压、快速开关和正向电流大等特性。对MPS二极管漂移区的少数载流子的特性进行了仿真分析。仿真结果表明,MPS二极管的p^+区向漂移区注入的少数载流子浓度随外加正向电压和pn结面积占元胞总面积比例的增大而增大。虽然漂移区的少数载流子改变了MPS二极管的工作模式,增大了电流,但是存储在漂移区的少数载流子增大了反向峰值电流和恢复时间,进而增大了功耗并降低了关断速度。折中考虑正向电流和反向恢复特性,可获得具有正向电流大、反向峰值电流小和反向恢复时间短的MPS二极管。     

4H-SiC BJT的Early电压分析

通过考虑缓变基区4H-SiC BJT电流增益及器件内4种载流子复合过程,计算了4H-SiC BJT的厄利(Early)电压,分析了Early电压及电流增益的温度特性.结果表明,其他参数不变时,Early电压VA随发射区掺杂浓度NE增大而增大,随集电区掺杂浓度Nc增大而减小,随基区宽度W增大而增大.SiC中杂质非完全离化会影响4H-SiC BJT的Early电压及电流增益的温度特性.     

4H-SiC BJT的Early电压分析

通过考虑缓变基区4H-SiC BJT电流增益及器件内4种载流子复合过程,计算了4H-SiC BJT的厄利(Early)电压,分析了Early电压及电流增益的温度特性.结果表明,其他参数不变时,Early电压VA随发射区掺杂浓度NE增大而增大,随集电区掺杂浓度Nc增大而减小,随基区宽度W增大而增大.SiC中杂质非完全离化会影响4H-SiC BJT的Early电压及电流增益的温度特性.     

一种新型低阳极发射效率快恢复二极管

采用局域注入p型离子和高温推结的方式得到高掺杂p+区和低掺杂p-区规律性的浓度梯度变化,研制了新型低阳极发射效率二极管.与常规结构二极管相比,此结构在工艺实现时,制造工艺条件、掩模版数量保持不变,只需设计高掺杂p+区和低掺杂p-区层次掩模版图案,即可实现发射极注入效率的自调节,制造成本低;其反向恢复电荷减小了30.4％,反向电流峰值减小了29％,反向电压峰值减小了6.7％,反向恢复时间减小了11％,开关器件的工作损耗降低,折衷性能更加优良;在VF基本相当的情况下,反向恢复软度特性更优.     

混合P-i-N和异质结二极管的设计与仿真

设计了一个混合P-i-N和多晶硅/4H-SiC异质结的二极管结构(MPH diode)。当正向偏置时,异质结区在低电压下开启,随着正偏电压的不断加大,P~+4H-SiC区域注入少数载流子到漂移区,在异质结下就会有明显的电导调制效应。异质结部分的正向传导增强,即使在高电流密度时,大多数的电流运输也会通过异质结区,这样会使得正向压降和储存电荷之间有一个很好的折衷。当反向偏置时,沟槽MOS结构形成夹断,从而使器件有低漏电流密度和高阻断电压。采用仿真工具Silvaco TCAD来研究MPH二极管的电学特性。结果表明,MPH二极管有低正向开启电压(0.8V),而且当正向电压大于2.7V时,P-i-N区域导通,正向电流密度快速增大。与MPS二极管相比,MPH二极管同样可以工作在高压状态下(2 332V),并且有较小的反向漏电流和较好的反向恢复特性。     

碳化硅MPS的功率损耗特性分析

采用解析模型模拟了 4 H-Si C混合 Pi N/Schottky二极管 (MPS)的功率损耗及反向恢复 ,研究了外延层掺杂浓度和厚度、PN结网格宽度等主要的结构参数对该器件功率损耗的影响。模拟结果表明 ,对文中所述的MPS,在 770 K左右具有最小功耗 ,且肖特基区所占的面积比越大 ,外延层掺杂浓度越高 ,厚度越小 ,最小功耗越低 ,最小功耗对应的温度也越高。论证了 MPS在一个较高的温度下具有很低的功耗 ,适合功率系统的应用     

具有异质结体二极管和N包围型P柱的4H-SiC超结MOSFET

利用TCAD仿真研究了一种具有异质结体二极管与N包围型P柱超结的4H-SiC UMOSFET(SJH-MOSFET)。通过在SJH-MOSFET中引入异质结和具有电荷平衡的超结结构,能够有效地优化器件的击穿电压、比导通电阻、反向恢复特性。研究结果表明,薄轻掺杂的电流扩展层(CSL)和N型包围使得耗尽区变窄,并为电流的流动提供了两个扩散路径,其中CSL使得电子快速地水平扩散,而N型包围允许电子可以垂直地流动,改进后结构的耐压提升了13.6%,栅槽底部高电场降低了10.5%,比导通电阻降低了10.5%,开启时间降低了38.4%,关断时间降低了44.7%;体区嵌入P⁺多晶硅与漂移区接触形成异质结体二极管,由于异质结特殊的能带结构,使得体二极管在导通时,P⁺多晶硅里空穴较少地流入到漂移区,使反向恢复电荷降低了42.96%,反向恢复时间降低了4.17%。     

电力系统用高电压快速恢复二极管坚固性优化北大核心

高压快恢复二极管芯片过渡区是反向恢复坚固性的薄弱点,一旦失效将影响电力装置稳定运行。提出了一种高阻型过渡区优化结构,通过建立三种模拟模型,研究了过渡区宽度和掺杂浓度对快恢复二极管反向恢复性能的影响。采用高阻型过渡区结构的快恢复二极管反向恢复安全工作区仿真极限值提高到电压为2900 V、电流为630 A、电流变化率为1600 A/μs。基于该设计制备的3300 V/1500 A FRD器件可通过电压为3200 V、电流为3000 A、电流变化率为8648 A/μs条件下的反向恢复测试,显著提高了FRD器件的反向恢复坚固性。     

超结硅锗功率二极管电学特性的研究

超结SiGe功率开关二极管可以克服常规Si功率二极管存在的一些缺陷,如阻断电压增大的同时,正向导通压降也将增大,反向恢复时间也变长。该新型功率二极管有两个重要特点:一是由轻掺杂的p型柱和n型柱相互交替形成超结结构,代替传统功率二极管的n-基区;二是p+区采用很薄的应变SiGe材料。该器件可以同时实现高阻断电压、低正向压降和快速恢复的电学特性。与相同器件厚度的常规Si功率二极管相比较,反向阻断电压提高了42%,反向恢复时间缩短了40%,正向压降减小了约0.1V(正向电流密度为100A/cm2时)。应变SiGe层中Ge含量和器件的基区厚度是影响超结SiGe二极管电学特性的重要参数,详细分析了该材料参数和结构参数对正向导通特性、反向阻断特性和反向恢复特性的影响,为器件结构设计提供了实用的参考价值。     

3300V碳化硅肖特基二极管及混合功率模块研制

基于数值仿真结果,采用结势垒肖特基(JBS)结构和多重场限环终端结构实现了3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管(SBD),所用4H-SiC外延材料厚度为35 μm、n型掺杂浓度为2× 1015cm-3.二极管芯片面积为49 mm2,正向电压2.2V下电流达到50 A,比导通电阻13.7 mΩ· cm2;反偏条件下器件的雪崩击穿电压为4 600 V.基于这种3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管,研制出3 300 V/600 A混合功率模块,该模块包含24只3 300 V/50 A Si IGBT与12只3 300 V/50 A 4H-SiC肖特基二极管,SiC肖特基二极管为模块的续流二极管.模块的动态测试结果为:反向恢复峰值电流为33.75 A,反向恢复电荷为0.807 μC,反向恢复时间为41 ns.与传统的Si基IGBT模块相比,该混合功率模块显著降低了器件开关过程中的能量损耗.     

深亚微米槽栅PMOS结构对抗热载流子效应的影响

基于流体动力学能量输运模型 ,利用二维仿真软件 MEDICI对深亚微米槽栅 PMOS器件的结构参数 ,如凹槽拐角、负结深、沟道和衬底掺杂浓度对器件抗热载流子特性的影响进行了研究 ,并从器件物理机制上对研究结果进行了解释。研究发现 ,随着凹槽拐角、负结深的增大和沟道杂质浓度的提高 ,器件的抗热载流子能力增强。而随着衬底掺杂浓度的提高 ,器件的抗热载流子性能降低。结构参数影响了电场在槽栅 MOS器件的分布和拐角效应 ,从而影响了载流子的运动并使器件的热载流子效应发生变化。     

一种低反向恢复电流的无电压回跳RC-IGBT设计

提出了一种无电压回跳的逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC-IGBT)结构,在集电极侧场截止层下方加入了一个N型层作为高阻层且把N+集电区部分替换为P型薄层,通过加入的N型高阻层增加集电极电阻,同时用P型薄层保证在初始导通时集电区的空穴能够在第一时间注入,消除了电压回跳现象,并且使器件的反向恢复电流峰值降低了15 A/cm³,同时改善了器件的关断特性,关断时间减小了103 ns。相较于传统FS RC-IGBT,反向恢复峰值电流降低了33.3%,关断时间减小了9.93%。     

一种新型n-区多层渐变掺杂SiGe/Si功率开关二极管

n^-区掺杂浓度采用多层渐变式结构的p^ (SiC．e)-n^--n^ 异质结功率二极管。对该新结构的反向恢复特性及正反向I-V特性进行了模拟,从器件运行机理上对模拟结果做出了详细的分析。与n^-区固定掺杂的普通p^ (SiGe)-n^--n^ 二极管相比。在正向压降基本不发生变化的前提下,渐变掺杂后的器件反向恢复时间可缩短一半,反向峰值电流能降低33％,反向恢复软度因子可提高1．5倍。并且,随着n^-区渐变掺杂的层数增多,反向恢复特性越好。     

两种新结构SiGe/Si功率二极管特性模拟

提出了在 n- 区中采用掺杂浓度三层渐变式结构 Si Ge/Si功率二极管及台面结构的 Si Ge/Si功率二极管。由 Medici模拟所得的特性表明 ,在采用 n- 区渐变掺杂结构的 p+ ( Si Ge) -n- -n+ 功率二极管中 ,在正向特性基本不发生变化的前提下 ,与 n-区固定掺杂结构相比反向恢复过程加快 ,二极管下降时间 t A 缩短近 1 /2 ;在采用台面结构的 p+ ( Si Gi) -n- -n+功率二极管中 ,反向恢复特性也有明显改进 ,电流反向恢复时间缩短近 1 /3 ,而电压反向恢复时间缩短近 1 /2。     

深亚微米槽栅PMOSFET结构参数对其抗热载流子效应和短沟道抑制作用的影响

基于流体动力学能量输运模型 ,利用二维仿真软件 Medici对深亚微米槽栅 PMOS器件的结构参数 ,如凹槽拐角、负结深、沟道和衬底掺杂浓度对器件抗热载流子特性和短沟道效应抑制作用的影响进行了研究 .并从器件内部物理机理上对研究结果进行了解释 .研究发现 ,随着凹槽拐角、负结深的增大和沟道杂质浓度的提高 ,器件的抗热载流子能力增强 ,阈值电压升高 ,对短沟道效应的抑制作用增强 .而随着衬底掺杂浓度的提高 ,虽然器件的短沟道抑制能力增强 ,但抗热载流子性能降低     

具有场限环终端的6500 V 4H-SiC结势垒肖特基二极管的研制

阐述了6 500 V4H-SiC结势垒肖特基(JBS)二极管的设计、仿真和制备过程,并对流片结果进行了测试,分析了测试结果与仿真结果差异的原因。通过仿真对比分析了漂移区厚度、掺杂浓度、有源区p+区和场限环终端参数对器件电学特性的影响,数值模拟优化了器件元胞和终端结构的漂移区、有源区和场限环的结构参数。根据模拟结果,4H-SiC漂移区掺杂浓度为1.08×1015 cm-3、厚度为60μm,采用经过优化的70个场限环终端结构,通过完整的工艺流程,完成6 500 V4H-SiC JBS的制备。测试结果显示,室温下当6 500 V4H-SiC JBS正向导通电流密度达到3.53×105 A/m2时,正向压降为4 V,器件的反向击穿电压约为8 000 V。     

深亚微米槽栅PMOSFET结构参数对其抗热载流子效应和短沟道抑制作用的影舷

基于流体动力学能量输运模型,利用二维仿真软件Medici对深亚微米槽栅PMOS器件的结构参数,如凹槽拐角、负结深、沟道和衬底掺杂浓度对器件抗热载流子特性和短沟道效应抑制作用的影响进行了研究.并从器件内部物理机理上对研究结果进行了解释.研究发现,随着凹槽拐角、负结深的增大和沟道杂质浓度的提高,器件的抗热载流子能力增强,阈值电压升高,对短沟道效应的抑制作用增强.而随着衬底掺杂浓度的提高,虽然器件的短沟道抑制能力增强,但抗热载流子性能降低.     

具有多场限环结构的SiC LDMOS击穿特性研究

场限环终端结构因能够显著提高击穿电压而被广泛应用于半导体功率器件。基于数值模拟软件建立了具有多场限环结构的SiC LDMOS仿真模型。分别仿真场限环各项参数和漂移区掺杂浓度与击穿电压的关系。提取器件击穿时的表面电场，从表面电场分布均匀程度和峰值电场两方面分析击穿原理。研究结果表明，当漂移区掺杂浓度一定时，击穿电压随场限环数量、结深和掺杂浓度的增大而先增大后减小；当场限环参数一定时，击穿电压随漂移区掺杂浓度的增大而先增大后减小；经验证在相同条件下，线性环间距设计的LDMOS击穿特性优于等环间距设计，且漂移区掺杂浓度越高，环掺杂浓度和环结深越小，失效场限环数量越多。     

一种新型SiC SBD的高温反向恢复特性

与传统硅基功率二极管相比,碳化硅肖特基势垒二极管(SiC SBD)可提高开关频率并大幅减小开关损耗,同时有更高的耐压范围.设计并制作了具有场限环结终端和Ti肖特基接触的1.2 kV/30 A SiC SBD器件,研究了该SiC SBD在100~300℃时的反向恢复特性.实验结果表明,温度每上升100℃,SiC SBD反向电压峰值增幅为5%左右,而反向恢复电流与反向恢复时间受温度影响不大;温度每升高50℃,反向恢复损耗功率峰值降低5%.实验结果表明该SiCSBD在高温下能够稳定工作,且具有良好的反向恢复特性,适用于卫星、航空和航天探测、石油以及地热钻井探测等需要大功率、耐高温和高速器件的领域.     

SiGeC/Si功率二极管的数值模拟与分析

将SiGeC技术应用于功率半导体器件的特性改进,提出了一种新型p+(SiGeC)-n--n+异质结功率二极管结构.在分析SiGeC合金材料物理特性的基础上,给出了该结构的关键物理参数模型,并在此基础上利用MEDICI模拟,对比分析了C的引入对器件各种电特性的影响.此外,还模拟比较了不同p+区厚度对器件反向漏电流的影响.结果表明:在SiGe/Si功率二极管中加入少量的C,在基本不影响器件正向I-V特性和反向恢复特性的前提下,大大减少了器件的反向漏电流,并且C的加入还减小了器件特性对材料临界厚度的依赖性,提高了器件稳定性.