碳化硅功率器件可靠性综述 (1)

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1、浙江大学电力电子器件实验室碳化硅功率MOSFET可靠性综述陈思哲1.碳化硅功率器件的提出过去的几十年间，电力电子器件在结构设计，工艺流程以及材料品质等方面取得了长足的进步。然而，与此同时，技术的进步也使得传统硅基器件在许多方面已逼近甚至达到了其材料的本证极限，如电压阻断能力，正向导通压降，器件开关速度等。近二十年里，这样的事实和随之而来的紧迫感使得电力电子技术人员不断寻求一种新的方法，以获得更为优异的器件特性，更高的功率密度以及更低的系统能耗。其中，人们最为期待是使用宽禁带半导体材料代替硅制备功率器件[1]。相比于其他宽禁带半导体材料（如GaN等），碳化硅（SiC）所具有的一个

2、先天优势是可以形成自然的氧化层（SiO2），这使得碳化硅器件可轻易的继承在硅器件中已广泛使用的金属-氧化物-半导体（MOS）结构以及相关技术。目前，以碳化硅为基底电力电子功率器件研究方兴未艾。相比于传统的硅材料，碳化硅材料具有的优势包括：10倍以上的电场承受能力，3倍左右的禁带宽度，以及大于3倍的导热系数等。极高的电场承受能力使得碳化硅功率器件具有很薄的衬底和较高的掺杂浓度，更大的禁带宽度使得它能够工作在更高的温度下并有强的抗辐射能力。而碳化硅材料的高导热系数（4.9℃/W）则意味着更为迅速的热量耗散，即器件可以承受更高的功率密度和工作温度。不过，虽然使用碳化硅材料制备电力电子

3、功率器件前景广阔，相关器件的可靠性，尤其是长期工作的可靠性一直是人们关注的重点。本篇文章主要讨论碳化硅器件，特别是碳化硅功率MOSFET的可靠性以及相关问题。功率MOSFET是一种使用金属-氧化物-半导体结构控制器件表面电流通断的一种电力电子器件，具有开关速度快，驱动简单等特点，目前已广泛应用于中低压电力变换装置中。而若改用碳化硅材料，则可使制得的MOSFET器件阻断电压大幅提升，并保持较低的导通阻抗，从而有望取代目前占领中高压市场的IGBT器件。然而，值得注意的是，虽然碳化硅展现了出众的电学和物理学特性，但相关器件在设计和制备中出现的一系列问题是我们无法回避的。尽管大部分可归

4、咎于材料和器件工艺的不成熟，并能够通过长期的研究加以解决，另一些可能是使用这种材料所带来的根本性缺陷。在下文中，作者将针对这些问题展开讨论。6浙江大学电力电子器件实验室1.遂穿电流的产生及影响因素众所周知，基于金属-氧化物-半导体的器件在强电场作用下会产生严重的长期可靠性问题，而这通常被认为是由于Fowler-Nordheim(FN)遂穿效应引起的[2]。尽管对于硅器件，FN电流的显著增加仅出现在氧化物电场强度大于6MV/cm时，但对于碳化硅器件，由于极高的内部电场，正常工作时的FN电流也是不可忽视的。我们知道，由于电介质中的强电场的存在，电子会从半导体或门极金属不断向电介质涌

5、入，最终导致电介质击穿。这种现象经过一定的时间便会发生，并表现为门极金属和半导体间的漏电流迅速增大，其大小可由以下公式计算[3]：JF-N0=AE2exp⁡(-BE),式中，JF-N0是遂穿电流密度，E是电介质中的电场强度，A和B分别是与材料特性相关的参数。如果我们定义势垒高度ΦB为金属和半导体间电子亲和能之差，则参数A，B的相关性可表示为：A∝1ΦB,B∝(ΦB)3/2,我们注意到，门极遂穿电流的大小与电介质内的电场和势垒高度呈现指数关系。此外，相关研究也表明，如果忽略费米能级随温度的变化，FN电流可认为与工作温度的平方成正比[3]。1.1MOS结构的正向偏置特性图1不同半导

6、体材料、电介质材料的能带图及其介电常数和击穿电场强度对于含有NMOS结构的器件，正向偏置指的是在门极上施加相对源极的一个正电压；而对于PMOS器件，正向偏置则是在门极施加负电压。在本文的讨论中，我们着重分析NMOS的情况。根据前文的定义，影响门极遂穿电流的势垒高度是电介质导带和半导体费米能级之差，考虑最极端的情况，即在NMOS结构正偏时，半导体中的费米能级与导带重合，这样一来，上述势垒高度则变成了电介质和半导体导带的势垒差。此时，对于同样的氧化层电场，由于碳化硅和氧化层（SiO2）间的势垒差比硅和氧化层间的势垒差小，其门极漏电流要比硅基MOS结构大很多。由图1[4]我们可以看到

7、，硅-二氧化硅结构的势垒差为3.2eV，而对于碳化硅-二氧化硅结构，其数值减小为2.7eV。这0.5eV6浙江大学电力电子器件实验室的能带差则意味着要保持同样大小的遂穿电流，碳化硅-二氧化硅系统中的电场强度要比硅-二氧化硅系统小1.5倍。对于目前的硅基功率MOSFET产品，二氧化硅绝缘层中的电场强度需要保持在4-5MV/cm以下，从而达到长达十年的使用寿命。而上面的分析告诉我们，相同的情况下，碳化硅MOSFET的最高电场强度则保持在3MV/cm左右。这意味着对于50nm的门极氧化层厚度，为使