在功率電子領(lǐng)域，碳化硅（SiC）器件以其優(yōu)異的性能正逐漸取代傳統(tǒng)硅基器件。然而，SiC MOSFET和SiC二極管在實(shí)際應(yīng)用中卻面臨一種特殊的可靠性挑戰(zhàn)——雙極退化。這一現(xiàn)象直接影響著器件的長期穩(wěn)定性和使用壽命，成為工程師們必須重視的問題。

什么是雙極退化？

雙極退化是SiC器件中一種特定的性能衰退模式。當(dāng)電流持續(xù)流過SiC MOSFET的體二極管時(shí)，注入的電子-空穴對在復(fù)合過程中會引發(fā)晶格缺陷擴(kuò)展。這些擴(kuò)展的缺陷阻礙載流子運(yùn)動，導(dǎo)致導(dǎo)通電阻（RDS(on)）逐漸增大和體二極管正向壓降上升。

一個(gè)關(guān)鍵特征是，雙極退化主要影響器件的導(dǎo)通特性，而通常不改變其閾值電壓、柵氧完整性或擊穿電壓等參數(shù)。

為什么會發(fā)生雙極退化？

1.堆垛層錯(cuò)-問題的根源

極退化的核心因素。在SiC晶體中，原子本應(yīng)按照完美的順序排列，但實(shí)際晶體中總會存在一些缺陷。堆垛層錯(cuò)就是其中一種常見的晶體缺陷，它好比一疊整齊堆放的書本中突然有幾本放錯(cuò)了位置。Shockley堆垛層錯(cuò)是一種特殊類型的堆垛層錯(cuò)，它會在SiC晶體中形成微小的"電阻島"，阻礙電子或空穴的正常流動。這些缺陷主要來源于兩個(gè)方面：一是制造過程中引入的初始缺陷，二是器件工作期間新產(chǎn)生的缺陷。

2.退化過程的三個(gè)階段第一階段：載流子觸發(fā)

當(dāng)器件體二極管正向偏置時(shí)，少數(shù)載流子（對于n型漂移區(qū)為空穴）被注入。這些載流子被基平面位錯(cuò)等特定缺陷捕獲，為層錯(cuò)擴(kuò)展提供了初始動力。

第二階段：層錯(cuò)擴(kuò)展

在捕獲的載流子能量驅(qū)動下，Shockley部分位錯(cuò)開始滑移，導(dǎo)致其包圍的堆垛層錯(cuò)面積不斷擴(kuò)大。此過程具有自增強(qiáng)效應(yīng)：擴(kuò)展的層錯(cuò)區(qū)域能捕獲更多載流子，而更多的載流子復(fù)合能量又進(jìn)一步推動層錯(cuò)擴(kuò)展，致使該區(qū)域電阻率持續(xù)升高。

第三階段：性能衰退

隨著層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，其對電流通道的阻礙作用加劇，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)通電阻的不可逆上升和開關(guān)性能的漸變劣化。

為什么單極器件會發(fā)生雙極現(xiàn)象？

SiC MOSFET本質(zhì)上是單極型器件，只依靠一種載流子工作，而雙極退化卻需要在雙極工作模式下才會觸發(fā)。這一看似矛盾的現(xiàn)象實(shí)際上揭示了問題的關(guān)鍵：雙極退化恰好發(fā)生在SiC MOSFET的體二極管正向?qū)〞r(shí)，此時(shí)兩種載流子同時(shí)參與導(dǎo)電，滿足了退化發(fā)生的條件。

雙極退化的影響

1.導(dǎo)通損耗增加：

不斷增大的導(dǎo)通電阻直接導(dǎo)致器件通態(tài)損耗上升，降低系統(tǒng)效率并加劇發(fā)熱。

2.電流能力下降：

有效導(dǎo)電面積因?qū)渝e(cuò)擴(kuò)展而減小，降低了器件的有效載流能力。

3.可靠性風(fēng)險(xiǎn)：

性能的漸進(jìn)式、不可逆衰退縮短了器件的工作壽命，可能引發(fā)系統(tǒng)級故障。

4.動態(tài)參數(shù)漂移：

嚴(yán)重的層錯(cuò)擴(kuò)展還可能影響器件的開關(guān)特性。

抑制雙極退化的技術(shù)途徑

1.材料與工藝層面

• 通過改進(jìn)晶體生長工藝，降低BPD密度
• 采用外延技術(shù)將BPD轉(zhuǎn)化為不易擴(kuò)展的刃位錯(cuò)
• 運(yùn)用熱處理和鈍化工藝穩(wěn)定晶體缺陷

2.器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用層面

• 優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，避免體二極管長期大電流工作
• 采用智能死區(qū)時(shí)間控制策略
• 通過并聯(lián)二極管分流減小應(yīng)力
• 實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測與自適應(yīng)調(diào)整
  

未來展望

隨著SiC制備技術(shù)的進(jìn)步，新一代器件的固有缺陷密度顯著降低，抗雙極退化能力不斷增強(qiáng)。對工程師而言，深入理解這一失效機(jī)理，在器件選型、電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)維中采取針對性策略，對充分發(fā)揮SiC技術(shù)優(yōu)勢至關(guān)重要。

克服雙極退化等可靠性挑戰(zhàn)，是SiC技術(shù)在電動汽車、可再生能源、工業(yè)驅(qū)動等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵所在。持續(xù)的材料創(chuàng)新和工藝優(yōu)化將為SiC器件的可靠性提升提供堅(jiān)實(shí)保障。