论文部分内容阅读
SiC材料因其禁带宽度宽、热导率高、击穿场强高等优势,成为高性能模块制作的首选材料。其中SiC JBS二极管结合了SBD二极管的高耐压、开关速度快和PiN二极管反向漏电流小的优势,作为整流和续流元件被广泛应用于航天、高频整流、开关电源和保护电路中。因此,高温、高压、高湿和大电流的应用环境对SiC JBS二极管的可靠性提出了更严峻的要求。本文针对4H-SiC JBS二极管在上述应用环境下的可靠性,开展了理论和实验研究,并分析提取灵敏参量来表征器件的可靠性。首先,本文在175℃、反偏压960V和168小时的应力条件下测试了SiC JBS二极管的电特性和1/f噪声特性,分析了器件高温反偏下的退化机理。高温反偏试验后,SiC JBS器件的反向漏电流从31.044nA增大到2150.39nA,增长了2120nA,击穿电压减小了122V,噪声幅值增大了1E-13V2/Hz。经分析,高温反偏压下,由于镜像力和隧穿效应显著带来的势垒高度降低,会使得漏电流剧增,耐压值降低;另一方面,反向偏压下界面缺陷密度增加引起的电子隧穿涨落导致JBS噪声增大。通过分析比较参量的变化率,反向漏电流IR变化率达6800%,相较于变化率均在50%以下的正向压降VF、反向击穿电压VBD、噪声幅值B参量,具有显著的优势。因此,选取漏电流IR作为表征参量以更敏感地表征SiC JBS器件的高温反偏损伤。其次,本文在相对湿度为85%、温度为85℃、反向偏压960V和168小时的应力条件下测试了SiC JBS二极管的电特性和1/f噪声特性,分析了器件高温高湿反偏下的退化机理。高温高湿反偏后,漏电流从368.685nA下降到26.939nA,减小了340nA,耐压值提升了60V,噪声幅值减小了2E-12 V2/Hz。高湿度使SiC JBS器件的金属电极发生分解,分解后的金属离子以正电荷的形式在SiC/Si O2的表面积累,造成界面有效负电荷减小,导致击穿电压增大,漏电流减小。同时高湿度使得界面缺陷密度减小,导致噪声减小。通过分析对比,漏电流和噪声幅值的变化较大,达90%,而击穿电压变化率仅为3.98%。所以,选取漏电流IR并结合噪声幅值B参量更为敏感表征SiC JBS器件在高温高湿反偏应力下的损伤。最后,本文对SiC JBS器件施加140A,10ms的半正弦浪涌电流波,并在0次、500次、1000次和2000次的重复浪涌冲击后,测试了器件的电特性和1/f噪声特性,分析重复浪涌对器件的性能影响。重复浪涌试验后,正向压降从1.511V增大到1.541V,漏电流从322u A增大到433u A,增加了111uA,耐压值提升了213V,噪声幅值增大了4E-13 V2/Hz。重复浪涌下,SiC JBS器件的外延层中发生堆垛层错的生长,导致正向压降增大,漏电流增加并降低器件的耐压。同时,堆垛层错会引起表面少数载流子数目的涨落,导致1/f噪声增大。通过分析比较,噪声参量的变化率最高,为447.5%,正向压降、反向漏电流和反向击穿电压的变化率均在50%以下。因此,选取噪声幅值B以更准确、敏感地表征SiC JBS二极管的抗浪涌能力。通过高温反偏、高温高湿反偏以及重复浪涌试验,本文发现通过噪声来表征JBS器件的可靠性,能更为灵敏地反映器件在重复浪涌应力下的损伤。1/f噪声能敏感地反映半导体材料和器件中的许多潜在缺陷,而这些缺陷用现有的测试分析手段往往又难以表征。这种灵敏无损表征方法有助于准确快速地分析其他类型的应力损伤,对于研究JBS器件的可靠性问题具有重要的指导意义。