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碳化硅(Silicon Carbide,SiC)材料因其禁带宽度大、高临界击穿电场、高热导率和电子饱和漂移速度大等优越的电学和物理特性,在高温、高压、大功率和高频领域的应用前景极其广阔。4H-Si C PiN二极管具有高于Si器件2-3个数量级的开关速度、高结温承受能力、高电流密度和更高的功率密度,因此SiC PiN功率整流器在电力电子领域有着非常大的发展潜力和研究价值。国内SiC PiN器件目前尚处于初步研发阶段,远落后于国外,本论文旨在对高压4H-Si C PiN二极管进行结构设计和优化,并立足国内研究和工艺条件,进行实验分析,从而为国内高压4H-Si C PiN二极管的研究提供理论和实验参考。通过Silvaco公司的工艺和器件二维仿真器Athena和Atlas,本论文研究了高压4H-Si C PiN二极管的正向导通和反向阻断特性,并对器件结构参数进行了优化。首先确定了元胞基本参数,研究载流子寿命和温度对器件正向特性的影响;然后研究碳化硅各向异性碰撞电离模型,并分析了台面高度、台面角度和微沟槽等台面形貌对高压4H-Si C PiN二极管击穿特性的影响;其次设计了高压4H-SiC PiN二极管结终端扩展(Junction Termination Extension,JTE)终端结构,通过击穿电压和电场分析优化JTE结构,实现了具有宽剂量窗口的Two-SM-JTE终端结构,在1.0-2.6×1013cm-2剂量范围内,4H-SiC PiN二极管的击穿电压都可以达到设计目标值3300V以上,最后研究了Si O2/SiC界面电荷对击穿特性的影响。对高压4H-Si C PiN二极管的实验研究。首先研究了离子注入工艺,然后基于国内研究条件,确定工艺流程,进行版图设计,流片并对4H-Si C PiN二极管的正向导通、反向阻断和反向恢复特性进行了测试分析。流片结果表明,实验所得单区JTE 4H-SiC PiN二极管开启电压为3.4V,当温度由25℃增大到155℃时,器件的正向导通压降仅变化0.3V,体现了很好的温度稳定性;实验所得台面高度和角度分别为2.1μm和22°,在JTE注入剂量1.1×1013 cm-2的条件下,器件击穿电压为3.8kV,实现了平行平面结击穿电压的80%;4H-SiC PiN二极管的击穿电压随着JTE长度的增大而增大,并在JTE长度为50μm时饱和,但是饱和击穿电压比仿真值低约200V;4H-SiC PiN二极管的反向恢复时间随着反向压降的增大、正向电流的减小以及电流变化斜率的增大而减小。