SiC功率器件的重复雪崩可靠性问题及改善方法研究

As typical one of the third generation of semiconductor materials, silicon carbide (SiC) becomes an ideal material for high voltage, high temperature, high power and radiation hardening power electronic device. With the application of SiC power devices more widely, the reliability of the device has received widespread attention. This project focuses on the issue of repetitive avalanche reliability of SiC power devices and the improvement methods. The first research content mainly focuses on establishing a degradation mechanism model of breakdown characteristics of SiC power device after repetitive avalanche stress by studying the different field limiting rings design. Next, the new device design for improving the robustness to the repetitive avalanche stress will be proposeed based on fabrication process and device structure, which could be optimized and proved by combining theory with experiment. Furthermore, the established model could be modified. Finally, the accurate the degradation mechanism model and the optimized device design methods could be obtained.

作为第三代半导体材料的代表，碳化硅(SiC)以其优良的材料特性成为制备高压、高温、大功率、抗辐射电力电子功率器件的理想材料。随着SiC功率器件的应用领域越来越广泛，器件的可靠性问题得到了广泛的关注。本项目重点针对SiC功率器件的重复雪崩可靠性问题及改善方法等基础科学问题进行研究，为此领域的发展提供新的研究思路和方法。具体研究内容为拟通过对不同场线环终端设计的研究建立重复雪崩导致的器件击穿特性退化机制模型；分别基于制造工艺及器件结构两方面内容提出新的抗重复雪崩器件设计方案，结合理论与实验加以优化及佐证，并对已建立的模型进行修正；最终形成准确的退化机制模型及可以有效提升SiC功率器件抗重复雪崩能力的器件设计方法。

本项目主要针对SiC功率器件在经历重复雪崩后的击穿特性退化机理及提升器件抗重复雪崩能力等相关基础科学问题展开研究。开展这一SiC功率器件的可靠性问题研究，可以有效提升SiC功率器件的极端应力下的稳定性，满足某些特定应用领域对高可靠性SiC功率器件的需求，对提高新一代电力电子系统的性能具有重要意义。.设计了具有不同场限环终端结构(FLRs)的SiC功率肖特基二极管的器件结构并对拥有不同FLRs的SiC器件进行了重复雪崩测试，结果表明器件在经历重复雪崩后击穿电压(BV)漂移与FLRs的设计强相关，当FLRs最小间距(S1)较小，环数(Nr)足够时，可获得较好的重复雪崩特性，BV漂移几乎为0。而随着S1增大，Nr降低，BV漂移量增加。. 结合ISE数值仿真和解析计算，建立了SiC功率器件的雪崩仿真方法，仿真结果表明不同FLRs结构的器件在发生雪崩时由于电场分布不同，会有着不同的雪崩电流分布。因为局部电流过大，容易在该点处出现界面电子捕获，导致场限环终端处界面有效负电荷浓度升高，造成器件击穿电压的漂移。实验与仿真结果表明具有较小S1和足够Nr的FLRs结构能够在重复雪崩电流应力下表现出较高的BV和优异的BV移位鲁棒性。基于此，推测了重复雪崩应力下器件击穿电压漂移机理，建立了重复雪崩导致的器件击穿特性退化机制模型。. 通过对雪崩应力条件的设置，重点研究了脉冲周期、脉冲开启时间对器件击穿电压漂移的影响，明确了重复雪崩脉冲应力对器件击穿电压的影响机制及内在机理，说明在器件发生雪崩过程中，界面处的电子填充存的动态平衡与结温强相关。. 设计、实验试制了具有新型沟槽FLRs结构的SiC JBS器件，实验结果表明，新型沟槽FLRs结构不仅可以有效提升SiC器件的工艺容限，降低器件终端面积，更重要的是可以有效提升器件的抗重复雪崩应力能力，是提升SiC器件抗重复雪崩能力的一种有效方法。