1.2kV碳化硅JBS器件HTRB可靠性测试与退化机理研究

摘要

第三代宽禁带半导体SiC材料因具有良好的电学和物理特性而被广泛地研究和应用。和传统的Si、Ge相比，高的临界击穿电场和更高的热导率，使4H-SiC成为制造高功率器件的首选。采用4H-SiC功率器件代替Si功率器件的电子系统，可以省去系统的冷却装置从而大大降低系统的体积和成本。作为4H-SiC功率半导体器件的重要器件类型之一，4H-SiC JBS二极管已经实现商业化。但是随着4H-SiCJBS二极管在功率电子电力系统中的广泛应用，4H-SiC JBS二极管仍然存在很多问题亟待解决，尤其是应用过程中暴露出的4H-SiC JBS的高温反偏应力（High-Temperature Reverse-Bias，HTRB）可靠性问题。4H-SiC JBS二极管在高温反偏应力作用下的退化机制尚不清楚。 本文详细研究了以非等间距场限环（Non-equidistance FLRs）为终端结构的1.2kV4H-SiC JBS二极管在高温反偏应力作用下的电参数退化规律、退化机理以及器件结构优化方案。主要的研究方法和内容如下： 首先对室温和高温反偏应力下器件的参数退化规律进行研究：在室温下，将4H-SiC JBS二极管分别置于400V、700V和1000V的反向偏压下约3.3h，每间隔20min则由Agilent B1505A器件分析仪来测试4H-SiC JBS二极管的正反向I-V特性曲线。结果表明，器件的正向特性参数很稳定，不随应力发生退化。相反，器件的反向击穿电压（VBR）会随应力时间和梯度的增加而增大，最终达到饱和（VBRSAT）。在室温下，4H-SiC JBS二极管的击穿电压在400V、700V以及1000V的反偏应力下的增量分别为50V、60V及120V。在高温反偏应力下，分别进行60℃、125℃以及175℃下的1000V的反偏应力实验，研究表明，器件的正向特性参数仍然不随应力发生退化，而VBR的退化趋势和室温结果类似，但是，VBRSAT随温度的升高而降低。在1000V的反偏应力下，4H-SiC JBS二极管的击穿电压在60℃、125℃以及175℃下分别增加230V、180V和150V。 其次，对4H-SiC JBS二极管在室温和高温反偏应力下电参数退化机理研究：通过Sentaurus TCAD软件仿真和实测分析，认为器件主要的退化机理是反偏应力会诱导非等间距场限环终端结构的4H-SiC JBS二极管半导体内部空穴注入4H-SiC/SiO2界面和SiO2绝缘层。注入的空穴致有效界面负电荷数量Neff的减少。有效界面负电荷的减小会降低4H-SiC外延层的表面耗尽并使得场限环区域的电势分布更加稀疏，从而减轻了4H-SiC JBS二极管的电场集中效应进而提高击穿电压。随着反偏应力的增加，4H-SiC JBS二极管退化机制会增强。在移除应力之后，注入到4H-SiC/SiO2界面的空穴陷阱逐渐恢复至原来的位置，而4H-SiC JBS二极管击穿电压也逐渐恢复至初始状态。在高温反偏应力下，存在两种机制导致器件的界面处的Neff减少，一方面在高压反偏应力诱导空穴注入4H-SiC/SiO2界面，另一方面较高的温度会导致位于4H-SiC/SiO2界面的电子发射至4H-SiC体内。 最后，优化4H-SiC JBS二极管结构参数后流片和验证实验：使用Sentaurus TCAD器件仿真给出一种可以有效抑制高温反偏应力电参数漂移的器件终端改进设计，并进行流片实验。结果表明，在不增加工艺难度的情况下，减小场限环间距S1和增加场限环的数量Nr可以有效的降低以Non-equidistance FLRs为终端结构4H-SiC JBS二极管对有效界面电荷的敏感度。流片后的芯片测试结果显示：在室温和高温下，将优化后的4H-SiC JBS二极管置于1000V的反偏应力下，优化后的4H-SiCJBS二极管击穿电压在应力过程中基本保持不变。

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