宽禁带半导体大功率电力电子器件的可靠性研究

This project is aimed at the reliability problem of high-power devices based on wide band-gap SiC/GaN semiconductor, committed to three theoretical and experimental creative research topics: 1. To propose a charge control model of GaN heterojunction device, exposing the inner physical property of charge and 2DEG density and the universal law between charge and energy band, offering theoretical basis for studying the mechanism of enhanced-gate terminal degradation and failure. 2. To propose a gate dielectric tunneling current model of SiC DMOS, exploring the mechanism of device reliability descending due to different types of trap in various stress conditions. 3. To propose a catalytic reaction growth method of SiC epitaxial growth based on chlorine to cut triangular defect down and at the same time enhance surface plainness. Based on such theories, the new strengthening technology of GaN device and SiC composite gate dielectric and the basal plane dislocations control technology on SiC epitaxy layer will be studied. Finally GaN device with life span MTTF>1e7 h, the charge- to-breakdown> 70 C/cm2 for SiC MOS structure, and the basal plane dislocations density of SiC epi-layer < 500/cm2 are plan to achieve. This project is a fundamental research of the reliability of SiC and GaN power devices and it will play an important role in progressing of wide band-gap semiconductor power devices.

本课题针对宽禁带半导体SiC/GaN大功率电力电子器件可靠性机理与技术的关键问题，进行三项理论与实验的创新研究:①提出GaN异质结电荷控制模型，揭示空间电荷与2DEG浓度的物理本质及其与能带的普适规律，为研究F离子增强型器件栅退化与失效机理提供理论基础；②提出基于界面陷阱效应的SiC DMOS器件栅介质隧穿电流模型，探索不同陷阱类型在各种应力环境下降低器件可靠性的机理；③提出SiC外延材料氯基催化生长法，减少三角形缺陷并提高表面平整度。在此指导下，进行该类器件体内电场调制GaN器件加固技术、SiC复合栅介质加固技术和SiC外延材料基面位错控制技术的研究，获得GaN器件寿命指标MTTF>1e7h、SiC栅介质击穿电荷量>70C/cm2、SiC基面位错密度<500/cm2。本课题是一项可靠性器件物理与方法的应用基础研究，对宽禁带半导体电力电子器件的发展具有重要意义。

在电力电子器件领域，以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体器件具有损耗低、耐高温、工作速度快等优点，被认为是下一代最具应用前景的电力电子器件，被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件，具有极其重要的民用和军用价值，是各国竞相抢占的能源战略制高点。然而，宽禁带电力电子器件可靠性和稳定性一直是制约其工程化应用的最大障碍，也是宽禁带电力电子技术迈向实用化的关键瓶颈问题，亟待在宽禁带电力电子器件的可靠性失效机理、模式及其加固方法等研究方面获得突破。.本项目从宽禁带半导体材料和器件物理本质出发，① 通过开展GaN器件的栅失效机理及可靠性加固技术的研究，建立了GaN异质结电荷控制模型；基于凹栅增强型GaN MISHFET，从体内电场调控提高击穿电压，界面修饰提高阈值电压稳定性，高温刻蚀结合复合栅介质提高栅极可靠性三方面有效实现了器件可靠性加固，器件通过3T寿命测试，MTTF>107h。② 建立了SiC MOSFET器件FN隧穿电流解析模型，揭示了栅介质FN隧穿电流与SiC/SiO2界面陷阱分布、有效势垒高度、栅极电压等的定量函数关系；基于分区电场调制思想，提出了一种降低FN隧穿电流的SiC复合高k栅介质新结构，并开展了SiC/Al2O3/SiO2堆垛栅介质和栅极ESD保护结构的实验研究，测试结果表明：栅介质的界面陷阱态密度<1×1012cm-2eV-1，栅介质击穿电荷量为76C/cm2，MM模型ESD失效电压>200V。③ 提出了一种SiC厚膜外延材料的低压台阶流生长方法，揭示了衬底中层错、基平面位错、螺位错、碳空位在生长过程中的穿通、转化或湮灭机理及其对外延缺陷的影响规律。通过台阶控制、原位刻蚀、碳硅比、生长气压等工艺优化，抑制缺陷的产生，降低缺陷复合中心的数量，生长出厚度为50μm、基平面位错缺陷密度小于10/cm2的高质量厚外延材料。.本项目获得的理论成果对宽禁带半导体器件可靠性研究具有广泛地指导作用，所开发的器件新结构和新技术对功率半导体器件可靠性加固具有重要的借鉴意义。