4H-SiC功率器件作为一种宽禁带半导体器件|第三代半导体材料4H-SiC将带来革命性的变化 4H-SiC功率器件作为一种宽禁带

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4H-SiC功率器件作为一种宽禁带半导体器件，凭借突出的材料优势具有耐压高、导通电阻低、散热好等优势。近年来随着器件的逐步商用，器件的可靠性问题成为新的研究热点。
本文综述了本课题组近期在4H-SiC功率二极管可靠性方面的研究进展，通过高温存储和高压反偏可靠性问题的研究，分析了器件性能退化机制。通过重复雪崩可靠性问题的研究，提出了一种可有效提升器件抗重复雪崩能力的终端方案。
作为第三代半导体材料（WBG）的典型代表， 4H碳化硅（4H-SiC）具有禁带宽度大、临界击穿电场高、热导率高、饱和速度大等优势。
借助其优秀的材料特性， 4H-SiC功率器件将拥有更高的转换效率及开关频率，可以轻松实现高压大电流的高速开关。
相较于传统Si器件， 4H-SiC功率器件可以使相关应用的实现带来革命性的变化，近年来已获得了产业界的广泛关注。
自2001年Infineon推出第一款4H-SiC肖特基二极管产品以来， 4H-SiC器件的研究得到了长足的发展。
目前， Infineon、Cree等公司均已推出600~1200V/1700V、最大电流为40A/50A的二极管产品。
近年来，国内的4H-SiC功率二极管研究及产业也日趋成熟：泰科天润已成功推出600~1700V4H-SiC二极管产品，中国电子科技集团公司第五十五研究所Huang等已开发出超过10kV的SiC结势垒肖特基（JBS）器件，浙江大学Ren等研制了1.2kV的沟槽结势垒肖特基（TJBS）器件，西安电子科技大学Yuan等分别研制了超过5kV的SiCJBS二极管及TJBS器件。
各大厂商及研究机构在追逐更小芯片面积、更优良率的同时， 4H-SiC功率器件的可靠性问题同样值得关注。
这其中，浪涌、高温存储及动态雪崩等可靠性问题得到了广泛的关注。
北卡罗来纳大学的研究团队研究了4H-SiC肖特基势垒二极管（SBD）和JBS结构的浪涌特性，并分析了相应的退化机制；浙江大学研究组则通过对混合pin/Schottky（MPS）离子注入工艺及结构设计的改进，有效提升了器件的额定浪涌电流。
针对高温存储，研究热点则主要集中在研究器件在极端温度下的工作稳定情况， Banu等研究了SiCSBD在-170~280℃温度下的长期工作稳定性；Godignon等报道了具有耐高温和低温能力的300V/5ASiC肖特基二极管，这些二极管可在-170~300℃下稳定工作。
关于重复雪崩研究，则主要集中在对于器件性能退化的研究及机制分析：Huang等研究了两种不同型号4H-SiCJBS二极管在重复雪崩应力下的耐受能力，实验结果表明，两种器件都出现了正向导通压降的退化和击穿电压漂移；2015年，英飞凌发布了第五代1200VSiC二极管，器件中采用了新的芯片设计，有效提升了器件的雪崩特性；东南大学研究团队同样对4H-SiCJBS的雪崩特性进行了研究，结果表明器件击穿电压在雪崩应力下发生漂移，而应力过程中热电子注入和俘获是导致器件击穿电压发生漂移的可能原因。
高温存储
高温存储实验是一项评估电子元器件在高温环境下耐受能力的可靠性试验。
通常实验方法是把样品暴露在高温且空气干燥的环境中，观测元器件性能在高温下的退化规律，它是筛选元器件过程中最常用的试验之一。
4H-SiCJBS二极管在多种高温功率电子领域中的快速应用和发展也为该器件引入了高温可靠性问题，因此本课题组研究了高温存储应力对4H-SiCJBS性能的影响，并推断引起器件性能退化的内在物理机制。
下图展示了本次实验采用的具有场限环（FLRs）终端的自研4H-SiCJBS器件结构、所使用的测试平台及实验步骤，选取的应力温度为275℃ ，存储时长分别为1、3、7、15、31和45h 。