功率SiC-JBS器件可靠性机理研究

Because of the high critical electric field and high anti-interference characteristics of Silicon Carbide, the Silicon Carbide - Junction Barrier Schottky (SiC-JBS) device will play an important role in the high-power, high-frequency and miniaturization regions. In recent years, the electrical performance of the SiC-JBS device, such as the switching speed, the electric current density, the breakdown voltage and so on, has been improved dramatically, but the reliability issues are still serious due to the severe operation environment with high temperature, high voltage and large current. However, the research about the reliability of SiC-JBS device is less reported. Based on the practical operation environment, this project will investigate the degradation mechanism of the SiC-JBS device under large current stress, high temperature and reverse bias stress, repetitive reverse current stress and high dV/dt stress conditions. In term of these research results, a complete lifetime model of the SiC-JBS device under the operational condition will be established. This project will make the theoretical foundation for developing the high reliable SiC-JBS device and the related power integrated circuits with long lifetime.

碳化硅材料的耐高压和抗干扰特性使得碳化硅基结势垒肖特基（Silicon Carbide - Junction Barrier Schottky，简称SiC-JBS）器件在功率电子系统"大功率、高频、小型化"的发展方向上发挥了重要作用。近年来，SiC-JBS器件的开关特性、电流密度及击穿能力等电学特性已大幅提升，但高温、高压、大电流的应用环境使可靠性问题成为限制其进一步发展的瓶颈。目前，关于SiC-JBS器件在系统应用中出现的诸多可靠性问题的退化机理及模型的研究还较少，有些甚至根本没有涉及。本课题将根据具体系统应用条件，对SiC-JBS器件工作过程中面临的正向大电流应力、高温反向偏压应力、反向灌电流应力及高dV/dt应力下的退化机理展开深入研究，并在此基础之上建立一套用于SiC-JBS器件实际工作条件下的寿命预测模型，进而为研制高可靠SiC-JBS器件及相关应用系统打下理论基础。

碳化硅JBS器件在高压，高功率和高频领域得到广泛的应用，尤其被应用于在诸如功率因子转换系统，太阳能转换系统，航空航天工程等领域。由于这些应用系统对于该器件可靠性的要求极高，因此器件可靠性对于系统的工作稳定性尤为重要。本项目深入研究了碳化硅JBS器件在正向大电流、高温反偏、重复反向灌电流、高dV/dt应力条件下退化机制，并借助专业仿真软件与TEM电子显微镜等手段研究揭示了其退化的内在机理。最终建立了一套在不同退化机理下器件寿命模型，预测其工作寿命，为研制高可靠性碳化硅JBS器件及相关应用系统提供理论指导。.项目执行过程中，已发表相关SCI论文8篇，授权中国发明专利7项，申请中国发明专利8项；此外，项目研究成果已作为重要内容荣获2014年教育部技术发明一等奖和2014年中国半导体创新产品和技术奖。本项目主要研究结论如下：.1、研究得到在正向大电流应力条件下，不同缺陷位置的碳化硅JBS器件会产生不同的退化现象。对于缺陷发生在有源区的A类器件，其发生正向压降的退化，源于有源区的缺陷会使内部迁移率下降；对于缺陷发生在器件表面的B类器件，产生击穿电压的退化，主要是表面缺陷会直接影响反向电压下表面电场的分布，降低势垒高度，增加反向漏电。.2、碳化硅JBS器件在高温反偏的应力研究中发现，低压时反向电流与温度没有明显的关系，因为此时的JBS器件的反向漏电流主要来自于肖特基的热发射；当反向偏压较大时，随着温度的升高反向电流迅速增大，BV减小，这是由于高温反向偏压下隧道击穿影响JBS整流特性引起的，隧道击穿具有负温度系数。.3、研究发现，A类器件灌电流的冲击发生在有源区，反向灌电流应力加剧了JBS器件有源区的堆叠层错，产生了与正向大电流下相同的退化现象；B类器件的灌电流的冲击发生在结终端高场区域，存在热载流子的注入，改变了局部电场分布，使得BV明显升高。.4、dV/dt应力下部分高可靠B类碳化硅JBS器件反向阻断电压升高，该退化现象与灌电流引起的BV增大现象相似，原因同样为热载流子注入。JBS器件的反向漏电位置为结终端区域，此处重复受到这种动态雪崩电流冲击应力作用后，可在附近氧化层中积累局部电荷，从而引起BV的变化。.5、根据不同的退化机理，结合普通JBS的解析模型建立了碳化硅JBS器件在不同退化机理下的寿命模型。验证结果显示各性能参数的寿命预测模型相对误差均小于10%。