《寬禁帶半導體大功率電力電子器件的可靠性研究》是依託電子科技大學,由張波擔任醒目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：寬禁帶半導體大功率電力電子器件的可靠性研究
- 依託單位：電子科技大學
- 項目類別：重點項目
- 項目負責人：張波
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本課題針對寬禁帶半導體SiC/GaN大功率電力電子器件可靠性機理與技術的關鍵問題，進行三項理論與實驗的創新研究:①提出GaN異質結電荷控制模型，揭示空間電荷與2DEG濃度的物理本質及其與能帶的普適規律，為研究F離子增強型器件柵退化與失效機理提供理論基礎；②提出基於界面陷阱效應的SiC DMOS器件柵介質隧穿電流模型，探索不同陷阱類型在各種應力環境下降低器件可靠性的機理；③提出SiC外延材料氯基催化生長法，減少三角形缺陷並提高表面平整度。在此指導下，進行該類器件體內電場調製GaN器件加固技術、SiC複合柵介質加固技術和SiC外延材料基面位錯控制技術的研究，獲得GaN器件壽命指標MTTF＞1e7h、SiC柵介質擊穿電荷量＞70C/cm2、SiC基面位錯密度＜500/cm2。本課題是一項可靠性器件物理與方法的套用基礎研究，對寬禁帶半導體電力電子器件的發展具有重要意義。
結題摘要
在電力電子器件領域，以GaN、SiC為代表的寬禁帶半導體器件具有損耗低、耐高溫、工作速度快等優點，被認為是下一代最具套用前景的電力電子器件，被譽為帶動“新能源革命”的“綠色能源”器件，具有極其重要的民用和軍用價值，是各國競相搶占的能源戰略制高點。然而，寬禁帶電力電子器件可靠性和穩定性一直是制約其工程化套用的最大障礙，也是寬禁帶電力電子技術邁向實用化的關鍵瓶頸問題，亟待在寬禁帶電力電子器件的可靠性失效機理、模式及其加固方法等研究方面獲得突破。 本項目從寬禁帶半導體材料和器件物理本質出發，① 通過開展GaN器件的柵失效機理及可靠性加固技術的研究，建立了GaN異質結電荷控制模型；基於凹柵增強型GaN MISHFET，從體內電場調控提高擊穿電壓，界面修飾提高閾值電壓穩定性，高溫刻蝕結合複合柵介質提高柵極可靠性三方面有效實現了器件可靠性加固，器件通過3T壽命測試，MTTF＞107h。② 建立了SiC MOSFET器件FN隧穿電流解析模型，揭示了柵介質FN隧穿電流與SiC/SiO2界面陷阱分布、有效勢壘高度、柵極電壓等的定量函式關係；基於分區電場調製思想，提出了一種降低FN隧穿電流的SiC複合高k柵介質新結構，並開展了SiC/Al2O3/SiO2堆垛柵介質和柵極ESD保護結構的實驗研究，測試結果表明：柵介質的界面陷阱態密度<1×1012cm-2eV-1，柵介質擊穿電荷量為76C/cm2，MM模型ESD失效電壓>200V。③ 提出了一種SiC厚膜外延材料的低壓台階流生長方法，揭示了襯底中層錯、基平面位錯、螺位錯、碳空位在生長過程中的穿通、轉化或湮滅機理及其對外延缺陷的影響規律。通過台階控制、原位刻蝕、碳矽比、生長氣壓等工藝最佳化，抑制缺陷的產生，降低缺陷複合中心的數量，生長出厚度為50μm、基平面位錯缺陷密度小於10/cm2的高質量厚外延材料。 本項目獲得的理論成果對寬禁帶半導體器件可靠性研究具有廣泛地指導作用，所開發的器件新結構和新技術對功率半導體器件可靠性加固具有重要的借鑑意義。
