高功率4H-SiC JBS/SBD器件可靠性问题研究

发布时间：2021-11-07 13:32

　　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... 

【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：141 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.2 SiC材料和器件的优势
        1.1.3 SiC SBD/JBS二极管的发展现状
    1.2 SiC功率SBD/JBS二极管可靠性物理的研究意义
        1.2.1 研究意义
        1.2.2 可靠性研究现状
        1.2.3 存在的主要问题
    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
        2.1.1 基本结构
        2.1.2 工作原理
        2.1.3 电学参数
        2.1.4 热学参数
    2.2 物理模型
        2.2.1 基本方程
        2.2.2 物理模型
    2.3 器件工艺设计及制备
        2.3.1 工艺设计
        2.3.2 器件的特性测试与分析
    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
        3.1.1 实验简介
        3.1.2 实验样品
        3.1.3 高温I-V测试系统高温测试系统
    3.2 器件电学特性
        3.2.1 正向I-V特性
        3.2.2 反向阻断I-V特性
    3.3 高温存储退化机制分析
        3.3.1 4H-SiC MOS电容高温存储实验
        3.3.2 器件数值模拟仿真
        3.3.3 雪崩击穿发光实验
        3.3.4 具有场板结构的4H-SiC SBD测试分析
        3.3.5 高温存储过程中载流子输运机制
    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
        4.2.1 实验准备
        4.2.2 器件电学特性
        4.2.3 电学参数漂移机制
    4.3 器件失效分析
        4.3.1 实验准备
        4.3.2 器件电学特性
    4.4 4H-SiC JBS二极管终端结构的改进与验证
        4.4.1 器件结构的设计理论
        4.4.2 实验验证
    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
        5.2.1 实验样品
        5.2.2 实验设备
        5.2.3 实验方案
    5.3 器件测试结果
        5.3.1 瞬态I-V特性
        5.3.2 正向导通特性
        5.3.3 反向阻断特性
    5.4 浪涌机制分析
        5.4.1 瞬态I-V机制
        5.4.2 正向导通和反向阻断特性机制
    5.5 浪涌能力的改进及验证
        5.5.1 器件结构的设计理论
        5.5.2 实验验证
    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
        6.2.1 实验样品
        6.2.2 实验设备
        6.2.3 实验方案
    6.3 器件电学特性
        6.3.1 瞬态电压特性
        6.3.2 正向导通特性
        6.3.3 反向击穿特性
    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
作者简介


【参考文献】：
期刊论文
[1]1700V SiC SBD器件的研制[J]. 史晶晶,周正东,高云斌,吴佳.  大功率变流技术. 2016(05)
[2]SiC功率器件应用现状及发展趋势[J]. 漆宇,李彦涌,胡家喜,范伟,唐威.  大功率变流技术. 2016(05)
[3]采用场限环终端的2.5mΩ·cm2,1750V4H-SiC结势垒肖特基二极管（英文）[J]. 任娜,盛况.  中国电机工程学报. 2015(21)
[4]4H-SiC结势垒肖特基二极管VRSM特性研究[J]. 顾春德,刘斯扬,马荣晶,孙伟锋,黄润华,陶永洪,刘奥,汪玲.  电子器件. 2015(04)
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博士论文
[1]4H-SiC PiN功率二极管研制及其关键技术研究[D]. 韩超.西安电子科技大学 2016
[2]4H-SiC功率UMOSFETs的设计与关键技术研究[D]. 宋庆文.西安电子科技大学 2012

硕士论文
[1]4H-SiC欧姆接触制备及高温热稳定性研究[D]. 程越.上海师范大学 2015
[2]4H-SiC肖特基二极管高温可靠性研究[D]. 魏珖.西安电子科技大学 2014
[3]4H-SiC功率BJT的实验研究[D]. 元磊.西安电子科技大学 2012



本文编号：3481944