【摘 要】
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作为第三代化合物半导体材料,4H-SiC具有三倍于Si的禁带宽度,十倍于Si的击穿电场强度,三倍于Si的热导率和二倍于Si的饱和漂移速度。优异的材料特性使4H-SiC基功率器件相比于传统的Si基功率器件具有高击穿电压,低导通电阻,高电流密度和高频工作等优异特性,在高压高功率密度应用系统具有广阔的前景。近年来,新能源汽车的性能提升对SiC基MOSFET功率器件提出了新的要求,如何实现车规级大电流,高
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作为第三代化合物半导体材料,4H-SiC具有三倍于Si的禁带宽度,十倍于Si的击穿电场强度,三倍于Si的热导率和二倍于Si的饱和漂移速度。优异的材料特性使4H-SiC基功率器件相比于传统的Si基功率器件具有高击穿电压,低导通电阻,高电流密度和高频工作等优异特性,在高压高功率密度应用系统具有广阔的前景。近年来,新能源汽车的性能提升对SiC基MOSFET功率器件提出了新的要求,如何实现车规级大电流,高可靠性SiC MOSFET器件仍然在器件结构、工艺以及测试等方面存在一系列问题。围绕上述目标,本文的研究内容如下:1、基于国内六英寸SiC工艺平台,设计了1200 V平面栅结构SiC MOSFET,通过器件的结构参数和工艺参数优化,制备出了性能优异的原型器件。静态测试结果表明,器件击穿电压大于1500 V,导通电阻低至14 mΩ,电流输出能力高达125 A,23m A灌电流下的阈值电压为2.7 V,器件的比导通电阻接近3.5 mΩ·cm~2,达到了业界主流水平。2、基于双脉冲测试系统,对封装好的样品进行了动态特性测试,分析了不同栅极串联电阻和不同结温下的开关特性以及反向恢复特性。结果显示:（a）当栅极串联电阻从4Ω增大到10Ω,关断时间从95 ns增大到190 ns,关断损耗从540 u J增大到了1450 u J,开启时间从75 ns增大到110 ns,开启损耗从3680 u J增大到了4980 u J。主要原因是增大栅极串联电阻增大了电容的充放电时间,但较大的串联电阻有利于降低电流电压波形震荡尖峰和震荡时间。（b）器件结温从25℃升高到175℃,关断损耗从1450 u J增大到了1650 u J,增大了13.7%,开启损耗从4980 u J减小到4360 u J,减小了12%。主要原因是高温下阈值电压降低使器件的关断时间增长,开启时间降低。高温状态下的开关损耗以互补方式维持在稳定水平。（c）器件结温从25℃升高到175℃,二极管反向恢复电荷从500 n C增大到了1300 n C,增大了160%。主要原因是高温下的载流子浓度增大导致的反向恢复电流和反向恢复时间增大。同时,与同等级商业化SiC MOSFET产品进行了对比,结果显示同条件下开关损耗与反向恢复电荷相差比例在13%以内。3、进行了部分车规级可靠性试验,以验证所制备芯片在极端环境下的工作能力。（a）高温栅极偏置可靠性试验:在175℃环境下进行了19 V的高温栅极正偏和-8 V的高温栅极反偏实验,在1000小时可靠性考核后45颗样品无一颗失效,可靠性前后的阈值电压漂移量保持在2%以内;（b）高温反向偏置可靠性试验:40颗样品分别在150℃和175℃环境下进行了1200 V的高温反偏实验,在1000小时可靠性考核后,150℃环境下的所有样品阈值电压漂移量保持在2%以内;然而在175℃环境下的40颗样品有两颗样品出现了栅极漏电偏大失效和漏源软击穿失效,对失效样品进行了电学特性曲线测试和破坏性物理分析,分析得出栅失效是工艺缺陷导致,软击穿是杂质离子在高温下迁移进入器件内部导致的,并且这种软击穿失效在高温烘烤后可恢复的。
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