Abstract ：

碳化硅（SiC）材料因其在禁带宽度、击穿电场、电子饱和速度等方面的优势，使得SiC MOSFET具有高频、高压以及高温等优势。然而SiC MOSFET的特殊材料、结构以及高开关速度使得开关瞬态过程中器件内部的物理机理更为复杂。传统的SiC MOSFET模型沿用了部分硅（Si）器件的建模方法，难以准确评估器件在装置中的动静态特性。为此，该文提出一种基于物理的SiC MOSFET改进电路模型。基于器件的工作机理，分析传统SiC MOSFET模型的不足，并针对不足进行改进建模。电流扩散方式是影响SiCMOSFET静态特性的重要因素，由于器件N-漂移区较窄，导致漂移区电流扩散呈梯形，进而对漂移区电阻进...

Keyword ：

SiC MOSFET 电路模型 静态特性 瞬态特性

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

随着新一代航空发动机推重比的不断提升,其内部燃气温度已经远远超过传统高温合金的承温极限,因此亟待研发新材料来满足先进航空发动机的发展需求。SiC_f/SiC陶瓷基复合材料具有优异的高温力学性能和高温抗氧化性能,且其密度较低,是下一代高性能航空发动机热端部件的理想结构材料。但是,SiC_f/SiC材料在实际服役环境中同样面临着严重的氧化腐蚀问题,因此需要使用能够阻隔水氧介质的环境障涂层(EBCs)来提高SiC_f/SiC材料的耐腐蚀性能,进而延长航空发动机热端部件的服役寿命。在阐明SiC_f/SiC材料水氧腐蚀机制的基础上,进一步总结了EBCs的设计原则和发展历程,并重点比较了各种涂层材料体系的...

Keyword ：

SiC_f/SiC复合材料 环境障涂层 耐水氧腐蚀性能 水氧腐蚀机制

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

随着新一代航空发动机推重比的不断提升,其内部燃气温度已经远远超过传统高温合金的承温极限,因此亟待研发新材料来满足先进航空发动机的发展需求.SiCf/SiC陶瓷基复合材料具有优异的高温力学性能和高温抗氧化性能,且其密度较低,是下一代高性能航空发动机热端部件的理想结构材料.但是,SiCf/SiC材料在实际服役环境中同样面临着严重的氧化腐蚀问题,因此需要使用能够阻隔水氧介质的环境障涂层(EBCs)来提高SiCf/SiC材料的耐腐蚀性能,进而延长航空发动机热端部件的服役寿命.在阐明SiCf/SiC材料水氧腐蚀机制的基础上,进一步总结了EBCs的设计原则和发展历程,并重点比较了各种涂层材料体系的优缺点及性能差异,为未来先进航空发动机陶瓷基复合材料热端部件用EBCs材料的研制提供借鉴.

Keyword ：

SiCf/SiC复合材料 环境障涂层 耐水氧腐蚀性能 水氧腐蚀机制

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

混合式直流断路器结合了机械开关良好的静态特性与电力电子器件良好的动态性能,是目前直流断路器研发的新方向。IGBT作为代表性器件,其损坏机理对于探索电力电子器件在混合式断路器工况下的可靠性具有重要意义。针对6.3kV下断路器某特定型号IGBT的失效温度进行试验测定。根据试验结果,发现在一定条件下,IGBT可以工作在技术手册的电流安全工作区外,并可以保证可靠关断。为验证试验方法的普适性,试验过程中再次选择其他型号的器件进行试验,得到类似结论,并发现SiC材料比Si能耐受更高的温度。因此,这为短时工作的IGBT提供了一种判断依据,不仅可以提高IGBT的利用率,并且可以指导直流混合式断路器选择更加可靠并经济的电力电子器件。

Keyword ：

IGBT 可靠性 失效温度 直流断路器

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

结合气固反应和重结晶烧结,制备了烧结颈结构可控的多孔重结晶SiC陶瓷。首先以微米SiC颗粒作为骨架,通过SiO气体和纳米炭黑的高温气固反应得到纳米碳化硅均匀分布的预烧结体;再对预烧结体进行重结晶处理,通过纳米SiC颗粒的低温蒸发凝聚获取高纯度的SiC多孔陶瓷。研究了重结晶过程中烧结温度对多孔SiC陶瓷的烧结颈、显微形貌、以及力学性能的影响规律。结果表明:SiC晶粒之间的烧结颈参数(烧结颈直径/微米SiC晶粒直径,d/d0)决定了多孔材料的抗弯强度。随着烧结温度增加,纳米SiC颗粒的饱和蒸气压升高,加速了蒸发–凝聚的进行,物质传输总量增加,多孔SiC材料的d/d0值增加,抗弯强度迅速升高,达到峰值后,基本保持不变或者略有下降。温度高于2100℃时,骨架SiC微米颗粒会发生分解反应产生残碳,导致材料的抗弯强度降低。原位合成的纳米SiC含量为20%,在Ar气氛中于2000℃保温1h后,材料组织性能最优,烧结颈面积的平均值为15.91μm2,d/d0值为99.7%,气孔率为42.4%,抗弯强度高达75.7MPa,其性能优于商用柴油颗粒物过滤材料。

Keyword ：

多孔重结晶碳化硅陶瓷 力学性能 气固反应 烧结颈 重结晶烧结

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

随着科技的不断进步，社会对电力电子系统的要求也日益提高。硅（ Si）基功率 器件受限于 Si 的材料特性， 在新需求中的表现越来越乏力。宽禁带半导体，包括碳化 硅（ SiC）、氮化镓（ GaN）及金刚石等， 由于材料本身的优异特性， 成为功率半导体 器件研究的焦点，为进一步促进电力电子系统的发展提供了可能。 SiC 材料具有的高临 界击穿电场、高热导率、高电子漂移速度和优异抗辐射能力的特点，使得 SiC 功率器 件在深空探测、 超导电机控制、电动及混合动力汽车和智能电网等方面有着广阔的应 用前景。本文以 SiC 功率 MOSFET（ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor， 金属-氧化物-半导体场效应晶体管） 器件为研究对象，围绕其在温度模型、器件结构优 化和器件温度特性三个方面，开展理论及实验研究， 取得的创新成果如下： 建立了符合当前 KTH（瑞典皇家理工学院） 工艺水平的 SiC 功率器件温度 TCAD 模型。利用双极型器件对温度敏感的特点，基于所制备的 SiC PiN 高压二极管，遴选出 了符合当前 KTH 工艺水平的 SiC 功率器件通用温度模型，包括 SiC 禁带模型、 SiC 不 完全电离模型、 SiC 载流子体迁移率模型及 SiC 载流子复合模型。 根据文献实验数据， 提取出了可应用于 SiC功率 MOSFET的沟道迁移率参数。综合建立了 SiC功率 MOSFET 精确温度 TCAD 模型， 在 SiC 功率 MOSFET 的制备、器件结构优化及器件特性表征方 面具有重要的工程指导价值。 提出了两个基于不同机理的 SiC 沟槽 MOSFET 新型结构改善器件静态特性。分别 利用添加 n 型包裹区减小 p+栅氧保护区空间电荷区面积和形成阶梯栅使 p+栅氧保护区 的空间电荷区远离电流通路两种机理，减小器件导通电阻。仿真结果显示， 与传统 SiC 沟槽 MOSFET 结构相比， 两种新型结构导通电阻分别降低 40%和 20%，器件优值分别 提升 44%和 26%，静态特性显著提高。基于温度仿真模型并结合改善机理，研究了新 型结构在 218K 至 423K 温度范围内导通电阻的温度特性。 给出了新型结构器件实现制 备工艺流程，并通过工艺仿真进行了验证。 提出了一种 PN 结型栅极新型结构改善器件动态特性，并建立相应分析模型阐明其 工作机理。 将 PN 结型栅结构与带 n 型包裹区的 SiC 沟槽 MOSFET 新型结构和 SiC 阶 梯栅沟槽 MOSFET 新型结构结合， 开启时间相较于传统 SiC 沟槽 MOSFET 结构分别 降低 27%和 26%，关断时间降低 45%和 51%，器件动态特性得到大幅提升， 并获得了 同时具有高静态性能和动态性能的 SiC 沟槽 MOSFET 新型结构。 将 PN 结型栅结构与 传统 SiC 平面 MOSFET 结构相结合，在静态特性保持不变的情况下关断时间相较于传 统 SiC 平面 MOSFET 结构降低 37%。 基于温度仿真模型并结合改善机理，研究了应用 PN 结型栅结构器件在 218K 至 423K 温度范围内栅电荷的温度特性。 在大温度范围内探索了 1.2kV SiC 平面及沟槽 MOSFET 器件的静态特性、动态特 性和抗短路能力。 研究了 SiC 平面及沟槽 MOSFET 器件在大温度范围内导通电阻变化 西安交通大学博士学位论文 II 趋势不同的机理，指出在低温下界面态密度是 SiC 沟槽 MOSFET 导通电阻增长速度快 的原因。揭示了 SiC 平面及沟槽 MOSFET 器件开关时间温度特性差异的机制，阐明 SiC 沟槽 MOSFET 动态特性对温度不敏感是基于其栅极电容特性。 给出了 SiC 平面及沟槽 MOSFET 器件在低温下抗短路能力的差别，指出 SiC 平面 MOSFET 的强抗短路能力得 益于其导通电阻特性。该部分工作的分析理论基于器件结构，具有普适性，为研究 SiC 功率 MOSFET 在宽温度范围的应用，特别是低温应用，提供了极有价值的应用参考依 据和理论分析基础。

Keyword ：

金属-氧化物-半导体场效应晶体管 碳化硅 温度特性 新型结构

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

SiC材料拥有良好的中子经济性、高温强度、耐磨性和抗氧化性能，已成为最具前景的替代性商用核反应堆燃料元件包壳材料之一。然而，SiC材料存在的天然脆性和辐照后导热性能恶化导致包壳存在应力致失效的安全隐患。本研究首次从全堆芯角度开展了UO2-SiC燃料性能分析、优化设计和包壳失效概率评估，旨在降低压水堆中SiC包壳的平均失效概率。 本文在充分调研Chemical Vapor Deposition (CVD)型和Ceramic Matrix Composite (CMC)型SiC材料研究基础之上，总结了辐照损伤对SiC包壳微观结构和宏观物性的影响。基于大量的堆内外实验数据，建立了SiC材料的辐照肿胀、肿胀恢复、导热率、热膨胀系数等数学物理模型。由于建模中充分考虑了辐照损伤和温度变化的影响，这些模型能够准确模拟SiC包壳的堆内行为。 针对多层SiC复合包壳，本研究建立了多层结构材料的线性力学、非线性力学和Pellet Cladding Mechanical Interaction (PCMI)分析模型。其中，非线性力学分析模型包含了塑性、类塑性和蠕变变形的计算模型。PCMI的建模则充分考虑了无摩擦、摩擦接触以及芯块的非刚体变形和热压效应。基于有限差分和边界递归法，建立了多层结构线性-非线性力学耦合求解的快速算法。最后，通过基准题对比验证，证明了所建立的力学分析模型和求解算法的正确性和可靠性。 基于SiC堆内行为和多层结构力学分析模型，对FRAPCON4.0程序进行了深度改进。改进后程序能够精确模拟任意多层包壳和非刚体芯块热工-机械性能，同时保留了程序的快速计算的特点。此外，为了方便对全堆芯燃料分析结果进行大数据分析和后处理，基于HDF5数据格式对FRAPCON4.0程序的结果输出系统进行了改进。使用改进前后程序对传统UO2-Zr燃料元件进行模拟，对比结果证明了改进后程序的正确性以及在精细计算和PCMI模拟上的优势。 对UO2-SiC单棒进行燃料分析，揭示了停堆期间SiC包壳失效风险主要是热应变梯度的消失和冷却剂压力的降低导致的。研究发现停堆期间包壳外围是负径向应力梯度区域，该区域内的材料承受压缩应力，将纯脆性的CVD层置于包壳外围能够有效降低甚至消除停堆期间包壳失效风险。此外，在UO2芯块中引入一定体积的中心孔和BeO掺杂物，UO2-SiC系统的燃料温度和裂变气体释放得到了有效控制。综合上述模拟结果和西屋公司现有4环路压水堆，初步确定了UO2-SiC燃料元件的设计参数。 基于大量实验数据建立了能够反映材料尺寸效应的CVD应力致失效的概率计算模型。针对类塑性参数的不确定性，采用蒙特卡洛样本法建立了CMC失效预测的概率论分析方法。根据CVD和CMC的材料特征以及包壳的功能需求，首次定义了SiC复合包壳的泄漏和破损失效概念，并建立了相应的失效概率论分析方法。 基于CASMO-SIMULATE计算结果开展了真实运行工况下全堆芯燃料元件热工-机械性能分析，并对6根典型燃料棒进行了CMC类塑性变形的蒙特卡洛样本模拟。尽管SiC包壳存在辐照肿胀并缺乏蠕变坍塌，计算结果发现仍有少数燃料棒发生了强烈PCMI，威胁到包壳完整性。计算结果表明，全堆芯包壳平均泄漏和破损概率分别为280 ppm (parts per million)和24 ppm，包壳失效的风险主要由强烈PCMI引起。SiC包壳的破损率则与当前压水堆包壳失效率相当，平均泄漏率远高于当前失效率。但是需要指出的是SiC包壳泄漏造成的放射性物质外泄量较低，因为包壳几何完整性仍然得到了保持。研究发现PCMI对重定位及其恢复十分敏感，在燃料中掺杂Cr2O3可有效缓解PCMI作用进而降低包壳失效概率。此外，对于当前燃料元件设计，增加芯块-包壳间隙尺寸并不能显著降低SiC包壳的平均失效概率，反而会引起燃料温度和裂变气体释放的上升。 本文建立的多层结构力学分析模型和快速求解算法具有很强的通用性，可应用于任意圆柱形燃料元件分析；明确定义了具有工程意义的多层SiC复合包壳泄漏和破损失效概念，第一次获得了全堆芯尺度SiC包壳平均失效概率，提升了对SiC包壳工程应用的认知水平，可为SiC包壳的设计改进提供参考。

Keyword ：

SiC包壳 概率论分析 燃料性能分析 失效概率 优化设计

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

碳化硅作为宽带隙半导体材料，因为其拥有的良好抗辐射性能，在辐射探测器领域及航空航天领域有良好的前景。其中，4H-SiC PIN二极管是一种十分重要的SiC半导体器件，可用作包括中子辐射在内的各类辐射的探测，也可以用作空间环境中航天器用半导体器件，这两种情形下SiC PIN二极管都会面临或强或弱的中子辐照环境。碳化硅PIN二极管内晶体原子，经历与中子的初级碰撞，离位级联，长期演化等过程形成稳定缺陷，从而永久改变二极管电学特性。在宏观上，表现为结电容的变化、反向漏电流的增长等。其中反向漏电流的增长直接影响探测性能，当漏电流积累到一定程度，器件便会失去辐射探测能力而报废。 本文重点关注中子辐照对SiC PIN二极管器件造成的位移损伤，研究微观位移缺陷对宏观电学特性产生影响的机制。开展4H-SiC PIN二极管的中子辐照特性的多尺度模拟工作，以期理解4H-SiC二极管器件中子辐照损伤产生机理，了解微观位移缺陷对器件宏观电学性能的影响。 本文首先通过蒙特卡罗方法模拟中子在器件材料SiC中的输运过程，获取初级离位原子即初级碰撞反冲原子（PKA）的数目及原子类型、位置及能量信息，探究不同能量中子及不同剂量中子对PKA产生的影响, 得到PKA数目同中子注量的线性关系与PKA能谱。得出PKA在模型中分布均匀的结论。其次通过分子动力学方法耦合动力学蒙特卡罗方法模拟不同能量PKA在SiC材料中产生的各种缺陷、离位级联及其退火演化情况，得到中子在器件内造成稳定缺陷的类型、数目及分布情况，并得到缺陷长时间演化的行为特征。得到了PKA产生缺陷数目与PKA能量的线性关系。最后通过Shockley-Read-Hall（SRH）理论计算一定剂量中子入射二极管，在灵敏区中引入稳定缺陷所造成的位移损伤电流，并从理论上探究温度对位移损伤电流的影响。 本文建立了碳化硅PIN二极管的中子位移损伤多尺度模拟方法，研究结果探究了中子位移损伤致漏电流产生机理，对SiC PIN二极管在辐射环境中的应用有参考价值。

Keyword ：

多尺度模拟 漏电流 碳化硅二极管 位移损伤

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

具有低中子活化、高温稳定和耐辐照特性的碳化硅（SiC）材料，在高温气冷堆颗粒型燃料的包壳中，SiC层是放射性裂变产物的屏蔽层和承压单元，是重要的先进核能结构材料。由于辐照肿胀会导致材料体积增大及力学性能改变，裂变产物铯（Cs）的迁移扩散会对反应堆安全运行造成影响，因此本论文针对单晶和多晶SiC的常温非晶化肿胀规律、高温辐照下单晶SiC的肿胀规律以及SiC中Cs的迁移扩散进行了研究。 论文中辐照实验有：1.5MeV的 Si（1×1014~5×1016cm-2）常温下注入单晶及多晶SiC， 1.5MeV 的Si（4×1014~2×1016cm-2）在800℃下辐照单晶SiC， 400 keV 的Cs（2×1015cm-2）注入多晶及非晶SiC。采用拉曼光谱、X 射线衍射分析、白光干涉仪、透射电子显微镜（TEM）、时间飞行二次离子质谱（TOF-SIMS）等分析方法及Comsol有限元分析，研究了SiC的辐照肿胀规律和Cs的迁移扩散。主要开展了以下三个方面工作： （1）单晶和多晶SiC材料的常温非晶化肿胀规律研究 单晶和多晶SiC的常温辐照非晶化肿胀均符合直接碰撞模型，且多晶SiC非晶化阈值高于单晶6H-SiC。SiC的常温辐照肿胀分为三个阶段：1）低注量阶段，肿胀主要由点缺陷导致，晶界对点缺陷数目的影响较小；2）在中等注量阶段， 由晶态向非晶态转化过程中，晶界阻碍缺陷迁移和吸收，相同注量下单晶样品的肿胀大于多晶；3）高注量阶段（已经完全非晶），肿胀的大小只与非晶SiC的密度有关，二者相同。实验表明，利用晶格常数变化估算肿胀法仅适用于辐照诱生缺陷主要是点缺陷的实验中。 （2）高温辐照下单晶SiC的肿胀规律研究 实验结果表明：SiC在800℃高温辐照下，峰值损伤为10dpa下SiC的体积肿胀约为1.44%；在0.2-10dpa辐照下，损伤区域的最大应变在0.4~0.5%；TEM结果显示样品中的辐照缺陷主要是几个纳米大小的缺陷团簇构成，且随着注量的增大，缺陷团簇平均尺寸和数目增大，因此推测肿胀的大小可能与缺陷团簇的大小和数目有关。 （3）SiC中Cs的迁移扩散研究 研究了Cs同时注入非晶和多晶SiC后，Cs离子浓度分布的差异，TOF-SIMS结果显示非晶SiC中Cs离子的浓度低于多晶样品，这一现象可能与二者的密度差异以及Cs在多晶或非晶的扩散速度不同有关；利用Comsol软件模拟了高温退火过程中，Cs在SiC中的迁移扩散变化规律。 论文解释了多晶及单晶SiC的辐照诱导非晶化肿胀规律的差异原因，获得了800℃下SiC的辐照肿胀规律及初步讨论了Cs在SiC迁移扩散行为，该研究对人们全面认识SiC的辐照肿胀规律及SiC在高温气冷堆中的安全应用，具有重要的参考价值。

Keyword ：

Cs迁移扩散 辐照肿胀规律 离子辐照 碳化硅

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。

Abstract ：

SiC材料作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有大禁带宽度、高电子饱和漂移速度、高临界击穿电场、高热导率和高抗辐照等性能，其优异的物理特性使SiC材料在航空航天、军事、电动汽车和新能源等领域具有广泛的应用前景。SiC器件制备工艺复杂，刻蚀工艺又是其中非常重要的一个步骤。由于SiC材料机械硬度高，化学惰性强，想要达到高的刻蚀速率和理想的刻蚀形貌非常困难，所以研究SiC的刻蚀技术对于研究和优化SiC器件制备工艺具有非常重要的意义。 本文采用N型的单晶4H-SiC作为实验样片，研究和优化了SiC衬底沟槽的电感耦合等离子体 (ICP:Inductively Coupled Plasma) 刻蚀工艺。利用SiO2作掩膜材料对SiC衬底沟槽进行刻蚀实验，研究了源功率、偏压功率、腔体压强等不同的工艺参数对SiC衬底沟槽的刻蚀速率及刻蚀选择比的变化关系。一系列实验结果显示，在高的ICP源功率和RF偏压功率及适当的腔体压强下可以获得较高的刻蚀速率，O2的添加会增加SiC沟槽的刻蚀速率和刻蚀选择比。SiC沟槽刻蚀过程中会产生微沟槽效应，通过实验分析，发现腔体压强和衬底冷却温度对微沟槽效应有很大影响，减小腔体压强和提高衬底冷却温度可以很大程度上改善微沟槽效应。通过优化工艺参数获得了刻蚀均匀性为2.9%且具有良好刻蚀形貌的SiC衬底沟槽结构。将SiO2掩膜层剥离后的SiC样片放在1500℃氩气保护的高温真空炉中退火处理4小时，最终得到符合期望目标的侧壁光滑和底角圆滑的沟槽结构。此外，本文借鉴SiC衬底沟槽的ICP刻蚀的实验经验，选择金属Ni作掩膜材料对SiC衬底深孔结构刻蚀做了一番研究。实验结果显示：SiC衬底深孔刻蚀速率与刻蚀气体流量配比有很大的关系，当刻蚀气体SF6/O2=160/60 sccm时，SiC深孔刻蚀速率可达0.96 μm/min。最后，采用分步刻蚀工艺，获得了深度为60 μm且垂直度接近90°的深孔结构。 通过本论文的研究，获得了较好的SiC衬底沟槽和深孔结构，并积累了SiC材料ICP刻蚀的相关工艺经验，为SiC器件的制备提供一定的工艺参考和实践经验。

Keyword ：

4H-SiC 电感耦合等离子体 沟槽刻蚀 深孔刻蚀 微沟槽效应

Cite：

Copy from the list or Export to your reference management。