【精彩论文】4 H-SiC PiN功率二极管dV/dt可靠性机理研究

观点凝练

摘要：碳化硅(SiC)功率开关高速和高功率的特点，使其在脉冲功率系统中面临着比硅(Si)器件更严苛的高dV/dt可靠性问题。实验发现高dV/dt应力会导致4H-SiC PiN功率二极管击穿特性永久退化。仿真结果表明：高dV/dt应力下器件终端区与主结交界处存在较强电场集中，致使雪崩提前发生，进而导致局部温度升高造成永久损伤。该电场集中是由于高dV/dt应力下（JTE）区耗尽不充分所致，提出对JTE区进行高浓度补偿掺杂来提高铝(Al)原子的电离率，进而改善脉冲应力下JTE耗尽不充分问题。仿真证明该方法可以有效降低脉冲应力下主结边缘处的电场集中，6×10²⁰ cm^–3的磷（P）原子补偿掺杂使得器件的抗dV/dt能力提升约30%，而静态特性不受影响。该研究为提升JTE终端SiC功率器件dV/dt可靠性提供了思路。
结论：本文对含JTE结构4 H-SiC PiN器件施加脉冲应力前后电学特性进行测试，发现脉冲应力会使器件击穿特性发生漂移，甚至失效，但对正向特性影响不大。利用TCAD软件对脉冲应力下器件的工作状况进行仿真，主结边缘处出现较强电场集中，同时击穿电压发生恶化。通过分析以及仿真验证，脉冲应力主要影响JTE结构，导致其耗尽不充分，偏离了剂量窗口。JTE中的杂质原子的电离率会影响到其耗尽情况。本文提出通过高浓度补偿掺杂的方式提高JTE区杂质电离率，提高JTE器件抗脉冲应力能力。经仿真验证，通过浓度为6×10²⁰ cm^–3的P原子补偿掺杂，器件抗脉冲应力能力可以提升约30%，而静态击穿、正向导通特性几乎不受影响。本文提出的改进方法在工艺上是可以实现的，但实际工艺下，如此高浓度的补偿掺杂会引入哪些缺陷，以及这些缺陷会不会影响器件的抗dV/dt能力需要进一步研究。

引文信息

郭登耀, 汤晓燕, 李林青, 等. 4 H-SiC PiN功率二极管dV/dt可靠性机理研究[J]. 中国电力, 2021, 54(12): 86-93.GUO Dengyao, TANG Xiaoyan, LI Linqing, et al. Research on dv/dt reliability mechanism of 4 h-sic pin power diode[J]. Electric Power, 2021, 54(12): 86-93.

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编辑：杨彪

审核：方彤

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