宽禁带半导体大功率电力电子器件的可靠性研究

批准号:
61234006
项目类别:
重点项目
资助金额:
310.0 万元
负责人:
张波
依托单位:
学科分类:
F0404.半导体电子器件与集成
结题年份:
2017
批准年份:
2012
项目状态:
已结题
项目参与者:
张玉明、邓小川、段宝兴、陈万军、陈敬、汤晓燕、李泽宏、刘莉、张有润
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中文摘要
本课题针对宽禁带半导体SiC/GaN大功率电力电子器件可靠性机理与技术的关键问题,进行三项理论与实验的创新研究:①提出GaN异质结电荷控制模型,揭示空间电荷与2DEG浓度的物理本质及其与能带的普适规律,为研究F离子增强型器件栅退化与失效机理提供理论基础;②提出基于界面陷阱效应的SiC DMOS器件栅介质隧穿电流模型,探索不同陷阱类型在各种应力环境下降低器件可靠性的机理;③提出SiC外延材料氯基催化生长法,减少三角形缺陷并提高表面平整度。在此指导下,进行该类器件体内电场调制GaN器件加固技术、SiC复合栅介质加固技术和SiC外延材料基面位错控制技术的研究,获得GaN器件寿命指标MTTF>1e7h、SiC栅介质击穿电荷量>70C/cm2、SiC基面位错密度<500/cm2。本课题是一项可靠性器件物理与方法的应用基础研究,对宽禁带半导体电力电子器件的发展具有重要意义。
英文摘要
This project is aimed at the reliability problem of high-power devices based on wide band-gap SiC/GaN semiconductor, committed to three theoretical and experimental creative research topics: 1. To propose a charge control model of GaN heterojunction device, exposing the inner physical property of charge and 2DEG density and the universal law between charge and energy band, offering theoretical basis for studying the mechanism of enhanced-gate terminal degradation and failure. 2. To propose a gate dielectric tunneling current model of SiC DMOS, exploring the mechanism of device reliability descending due to different types of trap in various stress conditions. 3. To propose a catalytic reaction growth method of SiC epitaxial growth based on chlorine to cut triangular defect down and at the same time enhance surface plainness. Based on such theories, the new strengthening technology of GaN device and SiC composite gate dielectric and the basal plane dislocations control technology on SiC epitaxy layer will be studied. Finally GaN device with life span MTTF>1e7 h, the charge- to-breakdown> 70 C/cm2 for SiC MOS structure, and the basal plane dislocations density of SiC epi-layer < 500/cm2 are plan to achieve. This project is a fundamental research of the reliability of SiC and GaN power devices and it will play an important role in progressing of wide band-gap semiconductor power devices.
在电力电子器件领域,以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体器件具有损耗低、耐高温、工作速度快等优点,被认为是下一代最具应用前景的电力电子器件,被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件,具有极其重要的民用和军用价值,是各国竞相抢占的能源战略制高点。然而,宽禁带电力电子器件可靠性和稳定性一直是制约其工程化应用的最大障碍,也是宽禁带电力电子技术迈向实用化的关键瓶颈问题,亟待在宽禁带电力电子器件的可靠性失效机理、模式及其加固方法等研究方面获得突破。.本项目从宽禁带半导体材料和器件物理本质出发,① 通过开展GaN器件的栅失效机理及可靠性加固技术的研究,建立了GaN异质结电荷控制模型;基于凹栅增强型GaN MISHFET,从体内电场调控提高击穿电压,界面修饰提高阈值电压稳定性,高温刻蚀结合复合栅介质提高栅极可靠性三方面有效实现了器件可靠性加固,器件通过3T寿命测试,MTTF>107h。② 建立了SiC MOSFET器件FN隧穿电流解析模型,揭示了栅介质FN隧穿电流与SiC/SiO2界面陷阱分布、有效势垒高度、栅极电压等的定量函数关系;基于分区电场调制思想,提出了一种降低FN隧穿电流的SiC复合高k栅介质新结构,并开展了SiC/Al2O3/SiO2堆垛栅介质和栅极ESD保护结构的实验研究,测试结果表明:栅介质的界面陷阱态密度<1×1012cm-2eV-1,栅介质击穿电荷量为76C/cm2,MM模型ESD失效电压>200V。③ 提出了一种SiC厚膜外延材料的低压台阶流生长方法,揭示了衬底中层错、基平面位错、螺位错、碳空位在生长过程中的穿通、转化或湮灭机理及其对外延缺陷的影响规律。通过台阶控制、原位刻蚀、碳硅比、生长气压等工艺优化,抑制缺陷的产生,降低缺陷复合中心的数量,生长出厚度为50μm、基平面位错缺陷密度小于10/cm2的高质量厚外延材料。.本项目获得的理论成果对宽禁带半导体器件可靠性研究具有广泛地指导作用,所开发的器件新结构和新技术对功率半导体器件可靠性加固具有重要的借鉴意义。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Effect of re-oxidation annealing process on the SiO2/SiC interface characteristics
再氧化退火工艺对SiO2/SiC界面特性的影响
DOI:--
发表时间:2014
期刊:Chinese Journal of Semiconductors
影响因子:--
作者:Jia, Renxu;Tang, Xiaoyan;Song, Qingwen;Zhang, Yuming
通讯作者:Zhang, Yuming
Energy-band alignment of atomic layer deposited (HfO2)(x)(Al2O3)(1-x) gate dielectrics on 4H-SiC
4H-SiC 上沉积 (HfO2)(x)(Al2O3)(1-x) 栅极电介质原子层的能带排列
DOI:10.1088/1674-1056/24/3/038103
发表时间:2015
期刊:CHINESE PHYSICS B
影响因子:1.7
作者:Jia Ren-Xu;Dong Lin-Peng;Niu Ying-Xi;Li Cheng-Zhan;Song Qing-Wen;Tang Xiao-Yan;Yang Fei;Zhang Yu-Ming
通讯作者:Zhang Yu-Ming
4H-SiC work-function-dependent bipolar transistor with ultra-high current gain
具有超高电流增益的依赖工作函数的 4H-SiC 双极晶体管
DOI:10.1049/el.2014.2432
发表时间:2014-12
期刊:ELECTRONICS LETTERS
影响因子:1.1
作者:Yuan Lei;Zhang Yuming;Song Qingwen;Tang Xiaoyan;Zhang Yimen
通讯作者:Zhang Yimen
DOI:10.7498/aps.64.237302
发表时间:2015
期刊:Acta Physica Sinica
影响因子:--
作者:袁嵩;段宝兴;袁小宁;马建冲;李春来;曹震;郭海军;杨银堂
通讯作者:杨银堂
Normally OFF GaN-on-Si MIS-HEMTs Fabricated With LPCVD-SiNx Passivation and High-Temperature Gate Recess
采用 LPCVD-SiNx 钝化和高温栅极凹槽制造的常断 GaN-on-Si MIS-HEMT
DOI:10.1109/ted.2015.2510630
发表时间:2016-02-01
期刊:IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES
影响因子:3.1
作者:Shi, Yijun;Huang, Sen;Liu, Xinyu
通讯作者:Liu, Xinyu
太赫兹固态收发前端关键技术及其应用研究
- 批准号:--
- 项目类别:优秀青年科学基金项目
- 资助金额:120万元
- 批准年份:2020
- 负责人:张波
- 依托单位:
太赫兹星间高速传输技术
- 批准号:91738102
- 项目类别:重大研究计划
- 资助金额:85.0万元
- 批准年份:2017
- 负责人:张波
- 依托单位:
太赫兹成像系统前端小型化变频机理及其应用研究
- 批准号:61771116
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:62.0万元
- 批准年份:2017
- 负责人:张波
- 依托单位:
太赫兹变容二极管非线性精确建模及其倍频应用研究
- 批准号:61301051
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:27.0万元
- 批准年份:2013
- 负责人:张波
- 依托单位:
高速高压IGBT瞬态抽出模型与新结构
- 批准号:61076082
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:48.0万元
- 批准年份:2010
- 负责人:张波
- 依托单位:
新型三维超结表面低阻通道横向功率MOS器件
- 批准号:60576052
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:25.0万元
- 批准年份:2005
- 负责人:张波
- 依托单位:
国内基金
海外基金
