高功率SiC JBS/SBD器件可靠性问题研究

摘要

以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料，在高温、高压、高功率和辐射等应用领域展现了巨大的材料优势和广阔的应用前景，适合制作电力电子功率器件。相对于传统Si基材料和器件及其他常见的半导体材料和器件，有着诸多优越的特性，而且这些优势会在未来几年在全球市场中愈发明显。4H-SiC JBS/SBD功率二极管是目前商业化最成熟、发展最快的SiC功率器件，已经具有了一定的研究和应用基础。但是4H-SiC JBS/SBD功率二极管在高温、高电压、高电流、快开关速度这四个具有巨大优势的方面，依然存在着一些可靠性问题。本文针对4H-SiC SBD/JBS二极管在上述应用环境下的可靠性，开展了实验研究和理论研究，下面为主要的研究内容及创新成果： （1）研究了4H-SiC SBD/JBS功率二极管的基本理论及工艺，为开展可靠性实验奠定理论和实验基础。首先，系统地建立了4H-SiC SBD/JBS二极管的常用电学参数和热学参数，可较好地表征可靠性实验中器件的性能与质量。其次，研究了失效机理分析需要使用的物理模型，包括肖特基接触模型、雪崩碰撞离化模型、杂质不完全离化模型、禁带宽度模型和热流输运模型等。最后，我们选取了具有场限环终端的4H-SiC SBD/JBS二极管作为可靠性实验对象，并对器件开展了流片与测试，得到了可靠性实验样品。 （2）高温存储应力下4H-SiC JBS二极管退化机理研究。4H-SiC JBS二极管在45h275℃空气环境高温存储应力前后，具有稳定的正向导通特性，肖特基势垒高度、理想因子和导通电阻基本保持不变。然而，随着存储时间的增加，器件的击穿电压先减小后增大。为了得出引起器件击穿电压退化的原因，我们通过开展MOS电容高温存储实验、数值模拟仿真、雪崩击穿发光实验和具有场板结构的SiC SBD高温存储实验，得出这是由于随着存储时间逐渐增加，终端区的SiO2/4H-SiC界面负有效电荷的数量先增加后减小，从而引起了器件的反向击穿特性发生了退化，雪崩击穿电压先减小后增大。我们根据实验结果推测了载流子的输运机制，在高温存储过程中，引起界面负有效电荷密度发生变化的原因可能是SiO2/4H-SiC界面处热电子发射、界面态和近界面陷阱这三者对电子的综合作用。 （3）重复动态雪崩应力下4H-SiC JBS二极管退化机理研究。4H-SiC JBS二极管在106个约为1A的重复动态雪崩脉冲应力下，肖特基接触的正向导通特性很稳定，器件的势垒高度和理想因子基本保持不变。然而，随着重复动态雪崩脉冲数的增加，器件的击穿电压值先增大，接着再减小，最后又逐渐增大。通过数值模拟仿真和雪崩击穿点定位实验，我们得出这是由于4H-SiC JBS二极管终端区的SiO2/4H-SiC界面负有效电荷的数量先增加后减小，从而引起了器件的反向击穿特性发生了退化。引起界面有效电荷密度变化的原因可能是SiO2/4H-SiC界面处热电子发射、界面态和近界面陷阱对电子和空穴的综合作用。最后，我们根据重复动态雪崩实验和高温存储实验的器件退化机制，设计和制作了具有新型场限环终端结构的4H-SiC JBS二极管，可有效降低4H-SiC JBS二极管击穿电压随有效界面电荷变化的敏感度，并抑制击穿电压的漂移。 （4）浪涌应力下4H-SiC JBS二极管失效机理研究。4H-SiC JBS二极管在浪涌过程中会受到功率、结温、电压降和散热能力的综合作用，使器件的瞬态I-V曲线在回扫过程中出现了电压回滞，而且当浪涌电流增加到某临界值时，器件的回滞、结温和压降会剧烈增加，导致器件表面材料损坏，进而失效。通过数值模拟仿真和材料结构分析，我们得出了引起器件的失效原因是，器件有源区的一部分Al和Ti金属发生了位置迁移，导致在外延层表面的一些位置形成了低势垒区域，从而降低了器件的击穿电压。最后，根据浪涌引起的器件退化机制，我们设计和制作了4H-SiC MPS二极管，可有效提升SiC JBS/SBD器件的抗浪涌能力。 （5）高dv/dt应力下4H-SiC JBS二极管失效机理研究。4H-SiC JBS二极管在1283V/ns的高dv/dt应力下，具有稳定的正向导通特性，肖特基势垒高度、理想因子和导通电阻基本保持不变。然而，一部分器件在经历高dv/dt应力后，反向漏电流会在高阻断电压下迅速增加，但是它并不是由雪崩倍增引起。通过数值模拟仿真、器件测试和材料观测实验，我们推测引起器件反向阻断特性退化的原因可能是，在高dv/dt应力下，器件需要在很短的时间内使耗尽层迅速扩展，并且将耗尽层中的载流子抽出。这个工作机制会使器件内部产生瞬间的高电场，使器件在发生轻微的损伤，从而引起反向泄露电流的增加。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2 SiC功率SBD/JBS二极管可靠性物理的研究意义

1.3本文主要工作

第二章 SiC JBS/SBD的器件物理及样品制备

2.1器件物理

2.2物理模型

2.3器件工艺设计及制备

2.4本章小结

第三章 高温存储应力下4H-SiC JBS二极管退化机理研究

3.1实验准备

3.2器件电学特性

3.3高温存储退化机制分析

3.4本章小结

第四章 重复动态雪崩应力下4H-SiC JBS二极管退化机理研究

4.1功率二极管重复动态雪崩实验简介

4.2重复动态雪崩实验

4.3器件失效分析

4.4 4H-SiC JBS二极管终端结构的改进与验证

4.5本章小结

第五章 浪涌应力下4H-SiC JBS二极管失效机理研究

5.1浪涌实验简介

5.2实验准备

5.3器件测试结果

5.4浪涌机制分析

5.5浪涌能力的改进及验证

5.6本章小结

第六章 高dv/dt应力下4H-SiC JBS二极管失效机理研究

6.1 dv/dt实验简介

6.2实验准备

6.3器件电学特性

6.4器件退化机制

6.5本章小结

第七章 结束语

参考文献

致谢

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