[发明专利]IGBT用SiC半导体微观劣化失效评估方法和系统

说明书

本发明公开了IGBT用SiC半导体微观劣化失效评估方法和系统，属于电力电子器件劣化失效与状态评估领域。本发明方法直接从SiC半导体空间电荷定域化行为出发，对正向阻断状态SiC半导体空间电荷行为进行测量，并通过空间电荷测量结果提取SiC半导体微观电荷特性参数，建立劣化模型。通过劣化模型和微观电荷特性参数，实现了对SiC半导体进行劣化状态评估与寿命预测。本发明的这种状态评估方法从SiC半导体微观劣化机理出发，可以更好的反应其劣化失效特征、更加有效的评估其劣化状态与工作寿命。

技术领域

本发明属于电力电子器件劣化失效与状态评估领域，涉及一种IGBT用SiC半导体微观劣化失效评估方法和系统。

背景技术

第三代宽禁带半导体正在引起清洁能源和新一代电子信息技术革命，是推动电网向能源互联网升级、促进能源清洁低碳转型、实现绿色经济的重要抓手，也是提升航空航天硬实力，建设现代化国防的强劲保障。SiC作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，以其高温、高频、抗辐射等特性，广泛应用于风力发电、光伏逆变、电动汽车以及5G通信、次世代显示等领域。在直流输电等超高压大电流工作领域，SiC IGBT以其优异的电流处理能力、极高的电压阻断和快速关断能力而拥有广阔的应用前景。随着能源互联网投资建设步伐的持续加快，预计未来特高压线路将会进入常态化核准状态，对SiC IGBT功率器件的需求也会进一步剧增。

然而，在长期运行过程中，电、热、机械等多重效应的作用会导致IGBT功率器件性能不断劣化甚至失效，严重影响功率器件长期运行的可靠性以及最终寿命。目前，国内外对IGBT功率器件用SiC半导体进行劣化状态评估以及寿命预测时，主要基于SiC半导体的宏观电学特征参量、热学特征参量以及泄露电流，介电响应、局部放电等绝缘状态特征参量。但是，这种基于宏观特征参量的劣化状态评估方法缺乏对SiC半导体性能劣化、失效内在诱因的反映，难以精确诠释IGBT用SiC半导体的微观劣化失效机制。

对于IGBT功率器件，当其正向阻断时，功率器件内部P-基区与N-漂移区组成的PN结反偏，集电极与发射极之间的高压集中由SiC半导体的漂移区承担。而IGBT器件在外延层生长过程中会引入点缺陷和扩展缺陷，SiC漂移区中缺陷高密度集中出现在高场强区域，容易捕获载流子导致电荷定域化。空间电荷定域化中的热效应、长期累积效应是导致半导体性能劣化甚至失效的重要内在诱因。因此，有必要基于空间电荷量、陷阱深度、电荷消散时间常数等微观电荷特性参量，从IGBT用SiC半导体劣化的内在诱因出发，建立劣化寿命预测模型，对IG BT用SiC半导体的劣化状态进行有效评估。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，基于宏观特征参量的劣化状态评估方法缺乏对SiC半导体性能劣化、失效内在诱因的反映，难以精确诠释IGBT用SiC半导体微观劣化失效机制的缺点，提供一种IGBT用SiC半导体微观劣化失效评估方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种IGBT用SiC半导体微观劣化失效评估方法，包括如下步骤：

步骤1)对正向阻断状态IGBT用SiC半导体进行空间电荷测量与分析；

步骤2)基于空间电荷测量结果，提取微观电荷特性参数；

步骤3)基于微观电荷特性参数，建立表征SiC半导体劣化的劣化模型，基于劣化模型和微观电荷特性参数，评估IGBT用SiC半导体的劣化状态，并预测IGBT用SiC半导体的运行寿命。

优选地，步骤1)中，空间电荷是基于电声脉冲法空间电荷测量系统测量得到的；

空间电荷测量完成后，基于声波在SiC半导体中的传播规律对空间电荷测量结果进行恢复处理。

优选地，步骤1)中，空间电荷测量之后，需要对空间电荷测量结果进行验证；