碳化硅双极退化：材料的本征局限还是工艺难题？

在功率电子领域，碳化硅（SiC）器件以其优异的性能正逐渐取代传统硅基器件。然而，SiC MOSFET和SiC二极管在实际应用中却面临一种特殊的可靠性挑战——双极退化。这一现象直接影响着器件的长期稳定性和使用寿命，成为工程师们必须重视的问题。

什么是双极退化？

双极退化是SiC器件中一种特定的性能衰退模式。当电流持续流过SiC MOSFET的体二极管时，注入的电子-空穴对在复合过程中会引发晶格缺陷扩展。这些扩展的缺陷阻碍载流子运动，导致导通电阻（RDS(on)）逐渐增大和体二极管正向压降上升。

一个关键特征是，双极退化主要影响器件的导通特性，而通常不改变其阈值电压、栅氧完整性或击穿电压等参数。

为什么会发生双极退化？

1.堆垛层错-问题的根源

极退化的核心因素。在SiC晶体中，原子本应按照完美的顺序排列，但实际晶体中总会存在一些缺陷。堆垛层错就是其中一种常见的晶体缺陷，它好比一叠整齐堆放的书本中突然有几本放错了位置。Shockley堆垛层错是一种特殊类型的堆垛层错，它会在SiC晶体中形成微小的"电阻岛"，阻碍电子或空穴的正常流动。这些缺陷主要来源于两个方面：一是制造过程中引入的初始缺陷，二是器件工作期间新产生的缺陷。

2.退化过程的三个阶段第一阶段：载流子触发

当器件体二极管正向偏置时，少数载流子（对于n型漂移区为空穴）被注入。这些载流子被基平面位错等特定缺陷捕获，为层错扩展提供了初始动力。

第二阶段：层错扩展

在捕获的载流子能量驱动下，Shockley部分位错开始滑移，导致其包围的堆垛层错面积不断扩大。此过程具有自增强效应：扩展的层错区域能捕获更多载流子，而更多的载流子复合能量又进一步推动层错扩展，致使该区域电阻率持续升高。

第三阶段：性能衰退

随着层错网络扩展，其对电流通道的阻碍作用加剧，宏观上表现为导通电阻的不可逆上升和开关性能的渐变劣化。

为什么单极器件会发生双极现象？

SiC MOSFET本质上是单极型器件，只依靠一种载流子工作，而双极退化却需要在双极工作模式下才会触发。这一看似矛盾的现象实际上揭示了问题的关键：双极退化恰好发生在SiC MOSFET的体二极管正向导通时，此时两种载流子同时参与导电，满足了退化发生的条件。

双极退化的影响

1.导通损耗增加：

不断增大的导通电阻直接导致器件通态损耗上升，降低系统效率并加剧发热。

2.电流能力下降：

有效导电面积因层错扩展而减小，降低了器件的有效载流能力。

3.可靠性风险：

性能的渐进式、不可逆衰退缩短了器件的工作寿命，可能引发系统级故障。

4.动态参数漂移：

严重的层错扩展还可能影响器件的开关特性。

抑制双极退化的技术途径

1.材料与工艺层面

• 通过改进晶体生长工艺，降低BPD密度
• 采用外延技术将BPD转化为不易扩展的刃位错
• 运用热处理和钝化工艺稳定晶体缺陷

2.器件设计与应用层面

• 优化电路设计，避免体二极管长期大电流工作
• 采用智能死区时间控制策略
• 通过并联二极管分流减小应力
• 实现在线监测与自适应调整
  

未来展望

随着SiC制备技术的进步，新一代器件的固有缺陷密度显著降低，抗双极退化能力不断增强。对工程师而言，深入理解这一失效机理，在器件选型、电路设计和系统运维中采取针对性策略，对充分发挥SiC技术优势至关重要。

克服双极退化等可靠性挑战，是SiC技术在电动汽车、可再生能源、工业驱动等领域实现大规模应用的关键所在。持续的材料创新和工艺优化将为SiC器件的可靠性提升提供坚实保障。