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储能系统技术 储能系统 SiC器件 可靠性分析 ★ 5.0

多晶硅/4H-SiC功率异质结在反向偏压应力下场致发射隧穿电流的反常减小

Anomalous Decrease of Field-Emission Tunneling Current for Poly-Si/4H-SiC Power Heterojunction Under Reverse Bias Stress

作者 Hao Fu · Zilong Wu · Xiangrui Fan · Xinyu Zhang · Haozhu Pei · Zhaoxiang Wei
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2025年6月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 SiC器件 可靠性分析
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 Poly - Si/4H - SiC异质结 可靠性 功率应用 反向电流 界面缺陷
语言:

中文摘要

首次通过实验验证了低势垒多晶硅(Poly - Si)/4H - 碳化硅(4H - SiC)异质结的可靠性。该异质结分别在 500 A/cm²的正向电流密度和 1 MV/cm 的反向电场下表现出卓越的长期正向导通和反向阻断可靠性,这对于功率应用至关重要。在 1.2 kV 级 4H - SiC 外延层上制备了纯功率异质结,其势垒高度为 0.804 eV,理想因子为 1.026。创新性地发现,异质结反向电流(<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${I}_{\text {R}}\text {)}$ </tex - math></inline - formula>)随反向偏置应力时间反常减小,且正向电学参数无任何退化。通过对异质结场发射(FE)隧穿进行建模并提取缺陷密度,证实了深能级受主型界面缺陷会被反向电场激活,这些缺陷会捕获电子并阻碍反向 FE 隧穿电流。研究结果可推动 Poly - Si/4H - SiC 异质结在功率领域的应用,并为所有异质结器件的老化过程和可靠性评估提供指导。

English Abstract

The reliability of the low-barrier Poly-Si/4H-SiC heterojunction is experimentally demonstrated for the first time, with a superior long-term forward conduction and reverse blocking reliability under the 500-A/cm2 forward current density and the 1-MV/cm reverse electric field, respectively, which is critical for power applications. The pure power heterojunction is fabricated on a 1.2 kV-class 4H-SiC epilayer, featuring a barrier height of 0.804 eV and a great ideality factor of 1.026. It is innovatively discovered that the heterojunction reverse current ( I_ R ) anomalously decreases with the reverse bias stress time without any forward electrical parameter degradation. By modelling the heterojunction field-emission (FE) tunneling and extracting the defect density, it is demonstrated that the deep-level acceptor-type interface defects are activated by the reverse electric field, which will capture electrons and impede the reverse FE tunneling current. The research results can promote the power applications of the Poly-Si/4H-SiC heterojunction and provide guidelines for all heterojunction devices in the burn-in process and the reliability evaluation.
S

SunView 深度解读

从阳光电源功率半导体器件应用角度来看,这项Poly-Si/4H-SiC异质结技术具有重要的战略参考价值。该研究首次系统验证了低势垒异质结在1.2kV级应用中的长期可靠性,在500A/cm²正向电流密度和1MV/cm反向电场条件下表现出色的稳定性,这直接契合我司光伏逆变器和储能变流器中功率开关器件的工作需求。

该技术最具创新性的发现在于反向偏置应力下漏电流的反常降低现象。研究揭示深能级受主型界面缺陷在反向电场作用下被激活,捕获电子并抑制场发射隧穿电流,这一机制为功率器件的老炼工艺优化提供了新思路。对于我司产品而言,这意味着可能通过可控的反向应力处理提升器件的长期阻断特性,降低系统待机损耗,这在大规模储能系统中具有显著的能效价值。

从技术成熟度评估,0.804eV的势垒高度和1.026的理想因子表明该异质结已具备优异的电学特性,但从实验室样品到量产级器件仍需跨越工艺稳定性、成本控制和大规模制造等挑战。Poly-Si/SiC异质结相比传统SiC肖特基二极管可能在制造复杂度上有所增加,需评估其性价比优势。

对阳光电源的战略机遇在于:该技术可作为下一代低损耗功率器件的储备方向,特别是在高频化、高功率密度逆变器设计中可能实现突破。建议关注该技术路线的专利布局,并评估与现有SiC MOSFET、IGBT技术路线的互补性,为产品差异化竞争储备技术选项。同时,这种异质结可靠性评估方法论对我司自研功率模块的质量管控体系建设具有借鉴意义。