相比于硅基绝缘栅双极型晶体管（Si IGBT）,碳化硅基金属-氧化物-场效应晶体管（SiC MOSFET）具有更低的功率损耗、更高的工作温度和更高的开关频率。面向下一代轨道交通牵引变流器提升转换效率和功率密度的迫切需求,开展高可靠性大电流3.3kV SiC MOSFET的研究至关重要。SiC IGBT因其双极输运的工作机理,具有更令人期待的功率处理能力,探索性地开展6.5kV SiC IGBT的研究,对未来引领轨道交通牵引前沿技术具有重要的前瞻意义。本文以实现高压场控型SiC功率晶体管（3.3kV平面栅SiC MOSFET和6.5kV平面栅SiC P-IGBT）的国产化为最终目标,重点研究了3.3kV平面栅SiC MOSFET的短路能力和栅极可靠性以及平面栅SiC P-IGBT的高比导通电阻(Ron,sp)等关键瓶颈问题。紧扣短路冲击下晶体管内部的电热耦合规律和MOS界面物理特性这两个关键科学问题,开展了如下创新研究:揭示了3.3kV平面栅SiC MOSFET短路过程中电流钳位现象的物理起源与短路失效机理;通过深入研究平面栅SiC MOSFET栅极下方的二氧化硅（Si O2）/SiC界面物理特性,揭示了平面栅SiC MOSFET非对称安全栅压和高温栅极可靠性问题的物理起源;成功研制出国产化高可靠性大电流3.3kV平面栅SiC MOSFET和6.5kV平面栅SiC P-IGBT。1)3.3kV平面栅SiC MOSFET的短路特性和失效机理基于器件的电热耦合模型,揭示了3.3kV平面栅SiC MOSFET短路过程中电流钳位现象的物理起源和不同栅极电压脉冲条件下的短路失效机理。3.3kV平面栅SiC MOSFET沟道处的高界面陷阱密度(Dit)是导致器件在短路过程中产生电流钳位现象的根本原因。在短脉冲栅极电压条件下,高温下流过沟道的电子电流触发了正温度反馈从而导致器件短路失效。然而,在长脉冲栅极电压条件下,高温下的空穴电流触发了器件体内的寄生NPN双极结型晶体管从而导致器件短路失效。2)平面栅SiC MOSFET非对称安全栅压和高温栅极可靠性基于所设计的N型JFET区和P型沟道区MOS电容,研究了平面栅SiC MOSFET非对称安全栅压和高温栅极可靠性问题的物理起源。当温度范围为25℃～300℃时,平面栅SiC MOSFET的最大安全正栅源电压(Vgs)由JFET表面栅氧特性决定,而最大安全负Vgs由沟道表面栅氧特性决定。然而,沟道表面栅氧比JFET表面栅氧更容易发生Fowler-Nordheim隧穿行为,从而导致当前平面栅SiC MOSFET的非对称安全栅压。当温度范围为25°C～150°C且-15V<Vgs<25V,栅氧可靠性退化由空穴或电子的直接隧穿引起。但是,当温度升高到300°C且-5V<Vgs<10V时,栅氧可靠性退化可能由肖特基发射和普尔-弗伦克尔发射机制引起。300℃高温下Si O2/SiC界面势垒高度（ΦB）的退化是导致SiC栅氧击穿电荷(QBD)退化的主要原因。3)高可靠性大电流3.3kV平面栅SiC MOSFET的研制在1)和2)的研究基础上,研制了高可靠性大电流3.3kV平面栅SiC MOSFET（芯片面积为9×5mm2）,满足轨道交通应用领域高温、大电流和高可靠性的要求。在25℃和175℃时,阻断电压（VB）分别为4.2kV和4.3kV,阈值电压(Vth)分别为2.89V和2.01V,导通电阻(Rds（on）)分别为72mΩ和110mΩ。当温度从25℃升高到175℃时,母线电压为1.5kV下的关断损耗和开通损耗分别仅增加了9.6%和4.1%,开关损耗表现出低温度依赖特性。母线电压为1.5kV下的短路耐受时间大于10μs。经过168小时高温栅偏试验后,Vgs=+20V和Vgs=-5V下的阈值电压漂移均值分别为+0.4V和-0.18V。4)6.5kV平面栅SiC P-IGBT的研制和高Ron,sp问题的研究研究了P型SiC欧姆接触、P型SiC栅氧以及高温热氧化预处理等关键技术,国内率先研制出6.5kV平面栅SiC P-IGBT,并揭示了Si O2/P型SiC界面的高Dit是导致高Ron,sp的主要原因。25℃时最优器件的正向VB达到6.67kV,集电极电流密度（Jc）为-100A/cm2时的集电极-发射集导通压降(VCE（on）)为6V。1300℃高温热氧化P型SiC外延片3小时可以有效降低6.5kV平面栅SiC P-IGBT的VCE（on）,Jc=-100A/cm2时的VCE（on）降低了约1V。价带（Ev）顶0.3e V处的Dit大于1013cm-2e V-1,不但降低了P沟道的反型迁移率,而且导致器件产生高Vth。低P沟道反型迁移率和高Vth直接导致SiC平面栅P-IGBT产生高沟道电阻。