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高压SiC JFET器件的设计、制备与应用研究

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作者:
陈思哲
导师:
盛况
学科专业:
电气工程 
文献出处:
浙江大学 2016年
关键词:
碳化硅论文  高压功率器件论文  功率模块论文  全碳化硅模块论文  升压变化器论文  

摘要:作为宽禁带半导体的典型代表,碳化硅(SiC)被认为是功率半导体器件的理想材料。与硅(Si)基器件相比,SiC功率器件具有高击穿电压、高工作频率以及耐高温等特点,有望进一步扩展电力电子技术在电网、新能源发电、车辆牵引以及国防技术等多个领域的应用范围。特别是在中高电压领域(3300V-6500V),随着我国高铁事业的蓬勃发展和城市轨道交通的不断进步,高频SiC基器件和功率模块具有较大的性能优势和应用前景。然而,目前学术界和工业界对中高压领域SiC器件关注不足,对中高压SiC功率模块及相关应用的研究和报道有限。对此,基于SiC沟槽-注入栅结型场效应晶体管(TI-JFET)结构,本工作在结构设计、芯片制备及多芯片并联封装等多层面对中高压SiC功率器件展开了系统的研究,并最终实现了基于高压SiC功率模块的变换器样机制备和展示。本论文的主要工作及创新点包括:1、本文对SiC TI-JFET器件结构进行了系统性的建模和仿真工作,首次提出了导通和阻断间"门极电压摆幅"的指标参数,并对其与器件其他指标参数的关系进行了讨论。在模型分析方面,通过引入迁移率饱和模型,本文对SiC JFET器件沟道在饱和区和线性区工作状态进行了建模和整理,建立了更为精确的沟道电压电流模型;基于碰撞电离模型,对SiC器件外延层参数和击穿电压的关系进行了理论分析。在结构仿真方面,基于有限元分析软件,本文对SiC TI-JFET器件结构进行了一系列的仿真研究,分析了关键结构参数对器件的输出、转移以及阻断特性的影响,并提供了优化的高压SiC器件元胞和终端结构设计方案。2、本文对SiC TI-JFET器件制备中的关键技术和工艺流程进行了开发和整合,优化了离子注入后高温退火工艺,将使用钝化层保护的最高温度提高到1600℃。在工艺开发方面,使用以Ti/Ni金属为刻蚀掩膜,SF6为反应气体的刻蚀方法,得到了侧壁形貌良好,底部平整度高的SiC沟槽结构;使用改进的SiC离子注入退火保护技术,将退火后的SiC表面粗糙度降低近1个数量级,并有效提高制备器件的一致性和良率。在器件制备方面,在实验室成功制备出1200V等级和4500V等级SiC TI-JFET器件。1200V器件的最低比导通电阻仅为2.33mΩcm~2,4500V器件最低比导通电阻为24mQcm~2,达到国际上同电压等级SiC器件的优秀水平。3、本文首次报道了高压大容量SiC TI-JFET模块以及高压全SiC模块的制备工作,对沟槽型源极表面引线焊接和多芯片并联存在的问题进行了讨论,并基于全SiC模块进行电压变换器样机的搭建和应用测试。在功率模块方面,制备了电压电流等级达到4500V/30A的SiC TI-JFET功率模块,并使用同项目制备的高压SiC TI-JFET芯片和高压SiCJBS二极管芯片,制备了电压电流等级为3500V/15A的全碳化硅模块。此外,基于全碳化硅模块,进行了升压变换器样机搭建,并对样机工作在50kHz和100kHz开关频率下的工作状态、电路各部分损耗以及系统效率进行分析。本论文的研究工作为SiC功率器件,特别是SiC TI-JFET功率器件的结构设计,制备工艺开发及电路应用打下基础,对器件结构和制备工艺提出了改进措施和优化方向,有望对高压SiC TI-JFET器件和模块的产业化起到推动作用。

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