碳化硅mosfet器件动态参数测量与其影响因素的分析

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1、万方数据华北电力大学专业硕士学位论文1．1研究背景第1章绪论功率半导体器件的发展对于推动电力电子技术发展起着重要的作用【¨，早期的大功率电力电子领域的基础是晶闸管，以变流器为代表。到了20世纪80年代中期，GTO器件的耐压达到4．5kV，使得它在未来的十年时间内得到了广泛的应用，这种状况一直持续到IGBT将阻断电压提高到3．3kV之后[2]，与此同时，人们开始对原有的GTO进行改进和加强，研制出了新型器件IGCT。与GTO相比，IGBT和IGCT的开关特性得到改善，因此工作频率更高，可以达到1-3kHz，而GTO的工作频率只有500Hz左右【3，41。到目前为止，全

2、控型器件的发展基本稳定在109．1010W·Hz左右，这个水平已经逼近由于材料特性制约所能达到的极限，如图1．1所示15Jfrtz图1-1不同功率半导体器件的功率频率乘积以现代电力系统为例，为了实现远距离输电，高电压、大功率，不同区域电网的互联[6】成为电网新的发展方向。基于我国能源结构与储量，以及环境恶化的压力，政府不断出台政策促进能源电力改革，大力发展风能、太阳能等新能源，而新能源所发电力的缺陷使得它接入电网比较困难【71，处理不当会引起系统电压和频率的波动，这就对电力系统的稳定性、可靠性提出了更高的要求。对于大功率半导体器件而言，能否承受住高电压、大电流，快速

3、的做出响应，实现高精度的控制引发了人们更多的思考【8】。目前来看，硅半导体器件已经达到应用极限，不再能S76s43旧m耐附嫩沁万方数据华北电力大学专业碍l土学位论文够满足电力系统对于更高电压、更高频率的要求，一种新型半导体器件势必将应运而生，并取而代之【9I。碳化硅以其优良的材料特性迅速夺得人们的眼球，它在高温、高压、高频领域有十分独特的优势，因此受到了广泛的重视。表1-1室温下几种半导体材料特性比较4H—SiC6H．SiC3C—SiCSiGaAs禁带宽度(eV)3．23．02．31．11．42击穿场强(MV／m)40．6热导率(W／cm．K)3-53．51．50．

4、5介电常数9．711．913．1饱和速度(107cm／s)22．51．01．2由表1—1可以看出[10l，SiC与Si、GaAs相比，具有优良的电学和热学特性。碳化硅材料的禁带宽度更宽(约3eV)、击穿场强更高(约为4MV／cm)，热导率(3-5W／cm．K)和电子饱和速度(2+107cm／s)t包都更高。更宽的禁带宽度决定了碳化硅能够在高温环境工作(500℃以上)，更高的击穿场强决定了碳化硅能适用大功率场合，更快的电子饱和速度、更大的热导率和更小的介电常数使得碳化硅能适应高频工作环境【II】。碳化硅材料以其出色的材料特性收到人们的广泛关注，随着研究的不断深入，碳化

5、硅材料技术愈发成熟，促进了基于碳化硅材料的新型半导体器件的相继问世，其中，碳化硅出色的材料特性使得碳化硅功率MOSFET具有更低的导通电阻，更高的极限工作温度，更快的开关频率，因此具有更好的发展前景，成为最受瞩目的新型功率开关器件【l引。作为开关器件，碳化硅功率MOSFET器件在实际应用中长时间工作在开通关断状态，而根据调研，目前对于碳化硅功率MOSFET器件的开关方式仍以硬开关为主【13】，硬开关状态下，器件的开关损耗占了器件损耗的很大一部分，随着开关频率的提高，器件的开关损耗越来越严重【14】；另一方面，在开关过程中，电压电流变化幅度巨大，在电路寄生参数的影响下

6、会出现电压电流过冲，电压电流过冲太大将造成器件击穿，给系统运行带来严重的后果【15】。因此，对功率MOSFET的动态过程进行测试分析，并对各种影响因素加以研究显得十分必要，以达到降低器件开关损耗、维持系统正常运行的目的。2万方数据华北电力大学专业硕上学位论文1．2国内外研究现状1．2．1碳化硅MOSFET器件研究现状近些年来，半导体材料的发展突飞猛进，碳化硅作为其中的代表，以其导通阻抗低、工作频率高、击穿电压高和耐高温等诸多优点成为研究的热点。然而，SiC优异的材料性能早在几十年前就已经为世人所知【16，171，但如果要制成器件，需要先得到性能稳定的碳化硅单晶片，受

7、制作工艺的限制，碳化硅器件的发展一直没能真正起步【l引。碳化硅器件制备的关键技术包括欧姆接触、氧化工艺和刻蚀工艺等【19，201。(1)欧姆接触欧姆接触电阻是决定半导体器件能否稳定工作的关键因素，碳化硅MOSFET一般工作在高温、高频和大功率条件下，更受欧姆接触电阻的限制。目前，碳化硅上欧姆接触的制备主要有两种方法：一种是用传统方法在重掺杂的碳化硅材料上直接制备，另一种是用离子注入的方法，形成欧姆接触的高掺杂区，从而达到减小比接触电阻的目的。对于离子注入法，注入的浓度、分布区域、激活率、体内和表面的缺陷等参数往往会受到诸如注入剂量、能量、碳化硅材料的晶向、注入温