Silicon carbide (4H-SiC) devices find extensive use in power applications due to the wide bandgap and high thermal conductivity. High-voltage Schottky diodes and MOSFETs have been available for commercial use for more than a decade. Much effort is now focused on reducing production costs and increasing the reliability and long term operation for 1-3 kV devices. This thesis focuses on three key problems for next generation of higher voltage and larger current 4H-SiC devices: i) reaching the ideal breakdown voltage of the material under reverse bias by a proper designed termination structure, ii) obtaining the best balance between on-state and switching losses of bipolar devices by localized lifetime control, iii) testing the radiation tolerance of MOSFETs and understanding the physical mechanisms of single event effects. 

This thesis starts with an introduction after which the experimental work and methodology for lifetime control and radiation tests are described (Chapter 2). The theoretical base and the physical models specified for 4H-SiC are discussed (Chapter 3). The results generated during the thesis work are summarized in the following three chapters. Chapter 4 reviews the current status of termination designs and different types of structures are evaluated from reliability and fabrication considerations. A buried junction termination extension (buried-JTE) structure, where implanted JTE zones are buried under a thin field buffer layer, has been proposed and simulated, resulting in a uniform field profile at the semiconductor/oxide interface. Simulation results also show that this structure will improve the area efficiency and reduce the effects of surface charge. In Chapter 5, a design process of lifetime control by MeV proton implantation for bipolar devices has been presented. The improvement on turn-off losses of 10 kV PiN diodes has been tested by both reverse recovery measurements and simulations. A process flow of physical simulations, based on deep level transient spectroscopy (DLTS) data for defects, has also been proposed, in which the lifetime profiles can be tailored by adjusting proton energies and fluences to reach the optimized device trade-off between on-state and turn-off losses. In Chapter 6, alpha particles of low doses have been used to irradiate 3.3 kV 4H-SiC MOSFETs to trigger single event burnout (SEB) failures. In this experiment, SEB threshold voltage, output characteristics and leakage current are characterized before and after the irradiation. The MOSFET cell used for the experiment has also been modelled to study the mechanisms of SEB, which typically occurs within nanoseconds after the irradiation and cannot be captured experimentally. The recently initiated radiation hardness experiments clearly indicate an SEB effect, but the linear energy transfer (LET) from the alpha particles in experiments cannot generate an SEB in the simulations. This discrepancy, and possible roads for future research are discussed in the concluding Chapter 7.

Komponenter av kiselkarbid (4H-SiC) börjar användas i allt större omfattning inom kraftelektronik på grund av materialets stora bandgap och höga termiska ledningsförmåga. Högspända Schottkydioder och MOSFETar har varit kommersiellt tillgängliga sedan mer än 10 år. Mycket av ansträngningarna som görs för dessa 1-3 kV-komponenter handlar idag om att förbättra tillförlitligheten och minska produktionskostnaderna. Denna avhandling fokuserar på tre viktiga utmaningar för nästa generations 4H-SiC-komponenter för ännu högre spänningar och strömmar: i) att uppnå materialets ideala genombrottsspänning under backspänning av komponenter genom att införa en ny typ av termineringsstruktur, ii) optimera balansen mellan ledförluster och switch-förluster för bipolära komponenter genom lokal kontroll av laddningsbärarnas livstid, samt iii) testning av strålningshärdighet för MOSFET-komponenter och ökad förståelse av förstörelsemekanismen vid så kallade ”singel event breakdowns” (SEB).

Avhandlingen inleds med en introduktion varefter det experimentella arbetet och metodologin för livstidskontroll och tester av strålningshärdighet beskrivs (kapitel 2). Den teoretiska basen och de fysikaliska modellerna för 4H-SiC diskuteras i kapitel 3. Resultaten som genererats i projektet sammanfattas i tre följande kapitel, där kapitel 4 behandlar status för termineringar. Olika strukturer utvärderas med avseende på tillförlitlighet och tillverkning. En begravd terminering (buried junction termination extension, buried-JTE), där implanterade JTE-zoner begravs under ett tunt fältupptagande lager, föreslås och simuleringar av denna struktur visar att den ger homogen och låg fältstyrka vid ytan mellan kiselkarbiden och den passiverande oxiden. Simuleringarna visar också att det är möjligt att minska effektiva ytan för termineringen och även reducera effekterna av ytladdningar. I kapitel 5 beskrivs en process för kontroll av livstiden för bipolära komponenter genom implantering med protoner. Genom att även kontrollera dos och energi vid protonimplantation kan laddningsbärarnas livstid i komponenten skräddarsys för olika komponenttyper. Metoden har testats genom mätningar av återhämtad laddning på 10 kV PiN-dioder och även genom simuleringar, där data från DLTS-mätningar (”deep level transient spectroscopy”) ger möjlighet att simulera släck- och återhämtningsförloppet. I kapitel 6 redogörs för ett experiment med låga doser av alfapartiklar som används för att bestråla 3.3 kV 4H-SiC MOSFET-komponenter för att inducera SEB. Tröskelspänning för SEB, liksom gate-parametrar och läckströmmar registreras före och efter varje exponering. Förloppet vid genombrott har också simulerats med en modell av en MOSFET-cell, vilket fungerar för tyngre joner men inte för alfapartiklar. Varför simuleringarna inte kan reproducera de experimentella resultaten, samt olika möjligheter för vidare forskning diskuteras i det sista kapitlet.