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Influence of epitaxial layer structure and cell structure on electrical performance of 6.5 kV SiC MOSFET

Journal of Semiconductors 2022年第8期43卷 71-77页

作者： Lixin Tian Zechen Du Rui Liu Xiping Niu Wenting Zhang Yunlai An Zhanwei Shen Fei Yang Xiaoguang Wei State Key Laboratory of Advanced Power Transmission Technology Global Energy Interconnection Research Institute Co.Ltd.Beijing 102209China Key Laboratory of Semiconductor Material Sciences Institute of SemiconductorsChinese Academy of SciencesBeijing 100083China

Silicon carbide(SiC)material features a wide bandgap and high critical breakdown field *** also plays an important role in the high efficiency and miniaturization of power electronic *** is an ideal choice for new power electronic devices,especially in smart grids and high-speed *** the medium and high voltage fields,SiC devices with a blocking voltage of more than 6.5 kV will have a wide range of *** this paper,we study the influence of epitaxial material properties on the static characteristics of 6.5 kV SiC MOSFET.6.5 kV SiC MOSFETs with different channel lengths and JFET region widths are manufactured on three wafers and *** FN tunneling of gate oxide,htgb and HTRB tests are performed and provide data support for the industrialization process for medium/high voltage SiC MOSFETs.

关键词： silicon carbide epitaxial layer channel length JFET region width FN tunneling htgb

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典型应力下增强型AlGaN/GaN HEMT功率器件的退化行为及机理分析

典型应力下增强型AlGaN/GaN HEMT功率器件的退化行为及机理分析

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作者：陈文阳华南理工大学

学位级别：硕士

近年来,人们对于氮化镓(GaN)材料的研究愈发深入,GaN基高电子迁移率晶体管(如AlGaN/GaN HEMT)凭借其优秀的性能,一跃成为大功率电力电子设备领域发展的主要方向之一。但目前世界上对增强型AlGaN/GaN HEMT功率器件的可靠性研究还不完善,... 详细信息

近年来,人们对于氮化镓(GaN)材料的研究愈发深入,GaN基高电子迁移率晶体管(如AlGaN/GaN HEMT)凭借其优秀的性能,一跃成为大功率电力电子设备领域发展的主要方向之一。但目前世界上对增强型AlGaN/GaN HEMT功率器件的可靠性研究还不完善,探究该类器件在不同应力下的退化行为具有十分重要的意义。本文主要从三种应力(氢效应、htgb、功率循环)的角度研究了两种增强型AlGaN/GaN HEMT的电学可靠性。具体的研究工作和结果包括:(1)研究了氢气环境下Cascode型AlGaN/GaN HEMT电学特性的变化行为。实验结果表明,氢效应能够使器件的阈值电压减小、输出电流增大、栅泄漏电流减小。通过对器件的栅漏电、低压漏电、高压漏电特性进行对比分析发现,氢效应对器件影响的主要原因是氢原子进入Si MOSFET的栅极氧化层和AlGaN/GaN HEMT的栅极势垒层后钝化了一部分缺陷,从而使得器件电学特性产生变化。(2)讨论了htgb应力下Cascode型AlGaN/GaN HEMT电学特性的退化行为,并将原始器件和经过氢效应处理的器件进行对比,探究了氢效应对器件后续htgb实验的影响。实验结果表明,器件在受到htgb应力作用后,其阈值电压增大、输出电流减小、栅泄漏电流增大,经过氢效应处理的器件在htgb实验后的相关参数仍然优于原始器件,说明氢效应能够有效延缓器件在htgb实验中的退化速度。通过对三种漏电特性进行对比发现,htgb应力对器件造成影响的主要原因是高温和长期施加的电场使得Si MOSFET的栅极氧化层和AlGaN/GaN HEMT的栅极势垒层产生新的缺陷并进入了部分电子。另外还研究了p-GaN栅型AlGaN/GaN HEMT在htgb应力下的退化行为,分析了器件在实验前后的低频噪声特性,得知在htgb应力下,该类器件的界面态、栅极势垒层区域缺陷密度增加,导致电学特性发生退化。(3)研究了Cascode型AlGaN/GaN HEMT原始器件和经过氢效应处理的器件在功率循环后的退化行为。结果表明,器件在经过功率循环实验后,其阈值电压增大、输出电流减小、栅泄漏电流增大、导通电阻增大,且氢效应同样能够延缓器件在功率循环中的退化速度。通过分析三种漏电特性,发现在功率循环实验中器件的Si MOSFET的栅极氧化层、导电沟道和AlGaN/GaN HEMT的栅极势垒层发生了退化。

关键词： AlGaN/GaN HEMT 氢效应 htgb 功率循环

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面向宇航空间应用的GaN HEMT开关器件退化机理研究

面向宇航空间应用的GaN HEMT开关器件退化机理研究

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作者：蔡详珍华南理工大学

学位级别：硕士

由于GaN半导体材料具有众多优异性能,GaN高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor,HEMT）已成为基于Al GaN/GaN异质结二维电子气的功率放大器的核心器件,并显示出广阔的应用前景。然而,GaN HEMT开关器件的可靠性问题严... 详细信息

由于GaN半导体材料具有众多优异性能,GaN高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor,HEMT）已成为基于Al GaN/GaN异质结二维电子气的功率放大器的核心器件,并显示出广阔的应用前景。然而,GaN HEMT开关器件的可靠性问题严重限制其快速发展。本文主要研究GaN HEMT开关器件在氢中毒、高温栅偏（htgb）、总离子剂量辐照作用下的退化行为,并基于理论和低频噪声（LFN）模型解释了器件退化机理。（1）分别对三种结构的GaN HEMT开关器件进行了氢中毒可靠性研究。实验结果表明,100℃条件下的氢中毒使得MIS型GaN HEMT开关器件的阈值电压减小、跨导增大、亚阈值摆幅减小和输出漏电流增大。此外,电容曲线负向漂移且向下移动。通过分析发现,氢中毒对MIS型器件的影响主要是由于H扩散进入MIS型器件的绝缘层和Al GaN层后一部分缺陷被钝化,从而改善器件电学特性。150℃条件下的氢中毒能够使Cascode型GaN HEMT开关器件的阈值电压减小、输出漏电流增大和漏源电阻曲线负漂。LFN结果表明,氢中毒后Cascode型器件的缺陷密度增加,可能是由于Si MOS器件中形成的正电荷和GaN HEMT器件中的中性态（O）和激发态（O）之间的波动共同造成的。100℃条件下的氢中毒能够使p-GaN型GaN HEMT器件的转移曲线负漂、输出电流增大以及电容曲线的第二个陡坡（step2）变陡,而150℃条件下的氢中毒能够使p-GaN型器件的转移曲线正漂、输出漏电流减小以及电容曲线正漂且下移。LFN结果表明,100℃条件下的氢中毒对p-GaN型器件的影响主要是由于H扩散进入p-GaN型器件的栅氧化层、p-GaN层以及Al GaN层后一部分缺陷被钝化,从而改善器件电学特性;而150℃条件下的氢中毒导致器件的性能退化,可能是由于高温使得H的释放,同时产生了新的缺陷。（2）研究了基于氢中毒的GaN HEMT开关器件的htgb应力实验。结果表明,正栅压htgb应力使得MIS型器件的阈值电压正漂、输出漏电流减小、漏源电阻曲线和电容曲线正漂。相比新器件,氢中毒器件的正漂量小于新器件的正漂量。一方面是由于H钝化了器件内部缺陷;另一方面是由于正栅压降低了器件能级,使得缺陷捕获更多的电子。负栅压htgb应力使得MIS型器件的阈值电压负漂、输出漏电流增大、漏源电阻曲线和电容曲线负漂。相比新器件,氢中毒器件的负漂量大于新器件的负漂量。一方面是由于H对缺陷的钝化作用;另一方面是由于负电压抬高器件能级,减少了缺陷对电子的捕获。（3）研究了基于氢中毒的两种结构的GaN HEMT开关器件的总剂量效应可靠性。结果表明,不加电总剂量辐照使得Cascode型器件的阈值电压负漂、输出漏电流增大、漏源电阻曲线负漂以及关态漏极泄露电流增大。此外,电容曲线负漂且上移,栅延迟特性变好。随着累积总剂量的增加,阈值电压负漂越明显。相比新器件,氢中毒器件辐照后性能改善程度更大。LFN结果表明,辐照后器件性能的变化主要是辐照后器件中产生了大量氧化物陷阱和界面陷阱电荷。室温退火后,器件性能轻微恢复,这是由额外的界面陷阱电荷引起的。不加电辐照后p-GaN型器件的性能基本没变化,加电辐照后器件的电学特性轻微退化,LFN结果表明,不加电和加电辐照后器件的缺陷密度均基本不变,加电辐照后器件性能的退化可能是由于表面态负电荷引起的,表明电场加剧了总剂量辐照效应。

关键词： GaN HEMT 可靠性氢中毒 htgb 总离子剂量效应低频噪声

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碳化硅MOSFET器件过流可靠性研究

碳化硅MOSFET器件过流可靠性研究

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作者：陈赣湖南大学

学位级别：硕士

随着第三代宽禁带半导体迅速发展,碳化硅(SiC)基功率金属氧化物半导体场效应晶体管(power metal oxide semiconductor field effect transistors,MOSFET)由于其导通电阻小、开关速度快、功率损耗小、高温稳定性好等优点,被认为是最具前... 详细信息

随着第三代宽禁带半导体迅速发展,碳化硅(SiC)基功率金属氧化物半导体场效应晶体管(power metal oxide semiconductor field effect transistors,MOSFET)由于其导通电阻小、开关速度快、功率损耗小、高温稳定性好等优点,被认为是最具前景的功率半导体器件之一。然而,高温、高压以及大电流等恶劣应用环境使得SiC MOSFET的可靠性面临严峻的挑战。在实际的变换器中,任何负载和母线电压的波动都可能使器件处于过流状态,因此器件受到过流应力是非常频繁和常见的。过流应力可能会导致SiC MOSFET过热,关键电气参数发生退化,甚至可能导致设备故障。然而,在以往的过流研究中,很少对过流过程中应力进行分析,因而过流应力下的限制因素和退化机制未得到充分的研究。针对以上问题,本文设计了新型重复过流实验平台,从以下几个方面展开了研究:首先,本文分析了器件在过流工况下受应力情况,将应力分为开通过流应力、导通过流应力、关断过流应力以及栅极偏置应力。通过高温栅极偏置(high-temperature gate bias,htgb)实验平台,对器件在运行状态下受到的栅极偏置应力进行解耦,研究发现随着温度升高,负栅偏增大,器件的阈值电压(VTH,threshold voltage)负漂就越大,器件退化就越严重,但是当器件栅压为VGS＿ON=15 V/VGS＿OFF=-5 V时,栅极偏置应力对器件的影响基本可以忽略不计,实现了栅极偏置应力的解耦。随后本文在VGS＿ON=15V/VGS＿OFF=-5V的栅压下对器件进行了开通过流应力、导通过流应力、关断过流应力以及开通关断过流应力四种不同工况下的重复过流实验。实验结果发现,导通过流应力会导致器件VTH的正漂,猜想是导通过流应力导致负电荷注入栅氧化层与界面态陷阱电子被捕获,形成负电场,从而VTH正漂;而开通和关断过流应力将导致器件VTH负漂,这是因为在开通和关断阶段,正电荷的注入JFET区,导致VTH的负漂,并且由于关断阶段的结温更高,使得在关断阶段正电荷的注入比开通阶段更加剧烈,所以关断过流应力作用会比开通过流应力作用更大。另外,本文通过改变温度、电压和导通时间进行对比实验,研究发现高温场会加速器件退化,温度越高,退化速度越快,因为在高温场下载流子运动速度加快,栅氧界面产生大量的陷阱导致电子被捕获,也加剧了开通阶段与关断阶段的正电荷注入。同时实验结果发现高电压和长导通时间会导致VTH负漂,当母线电压较高时,开通过程与关断过程受到更大的过流应力,导致开通和关断阶段更多的正电荷被注入到JFET区,导致VTH负漂。最后,本文对商用的平面栅SiC MOSFET和沟槽栅SiC MOSFET进行了重复过流实验,对其抗过流能力进行比较,研究发现,平面栅SiC MOSFET和沟槽栅SiC MOSFET有着相似的退化趋势,但是由于沟槽栅SiC MOSFET不存在JFET区,因此开通关断过流应力对其影响相对较小,所以温度和电压对于沟槽栅SiC MOSFET的影响要小于平面栅SiC MOSFET。

关键词： SiC MOSFET htgb 重复过流阈值电压可靠性

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