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碳化硅（Silicon Carbide,SiC）作为第三代半导体的代表,具有宽禁带、高临界击穿电场、高电子迁移率和高热导率等特性,是制作功率器件的理想材料。相较于传统硅（Silicon,Si）基功率器件,SiC器件可以缓解导通电阻和击穿电压之间的矛盾,满足电力电子系统对高功率密度、高开关频率以及低散热的要求。自2001年首次推出商用SiC二极管至今,SiC器件一直处于高速发展阶段,其中原子排列周期为4层的六方晶格结构碳化硅（4H-SiC）结势垒肖特基（Junction Barrier Schottky,JBS）二极管是目前应用最广泛的SiC器件,具有高开关速度、低导通阻抗、低反向恢复电流等优点,可以显著提高电力电子系统的性能。然而,4H-SiC JBS二极管的击穿电压容易受到终端区域界面电荷的影响,因此二极管的终端结构设计非常重要,并且器件在高温、高压和高湿等应力下出现的电学特性退化现象也亟待解决。基于此,本文对4H-SiC JBS二极管的结构设计、可靠性和应用开发等方面展开理论研究和实验探索,主要研究内容可归纳如下。1.设计了1200 V 4H-SiC JBS二极管的结构并开展了仿真研究。首先,通过理论计算选择了掺杂浓度为8×1015 cm-3、厚度为10μm的外延层;然后,利用Silvaco软件对4H-SiC JBS二极管的正反向特性进行仿真研究,确定了元胞区的最优结构;最后,设计了JBS二极管的两种终端结构,即结终端扩展（Junction Termination Extension,JTE）和场限环（Filed Limiting ring,FLR）。针对这两种终端结构展开了如下研究:1)分析了JTE结构的横向长度、注入剂量与击穿电压之间的关系,并讨论了4H-SiC/SiO2界面电荷对终端电场分布的影响,当电荷密度大于1×1012 cm-2时,器件的击穿电压下降趋势明显;2)分别研究了等间距FLR结构和缓变间距FLR结构,设计参数主要为环间距和环个数,仿真结果表明等间距FLR的终端效率较低。在考虑界面电荷的影响下,确定了24环缓变间距FLR结构,当界面电荷密度在1×1012 cm-2～7×1012 cm-2之间时,该结构的击穿电压保持不变。2.制备了4H-SiC JBS二极管系列样品并分析了其电学输运机制。基于仿真研究结果,优化了高温离子注入、碳膜溅射和欧姆接触等关键工艺条件,对4H-SiC JBS二极管进行了流片测试。基于FLR结构JBS二极管的变温正向电流-电压（I-V）测试结果,详细阐述了4H-SiC JBS二极管随着导通电流增加,正向导通由热发射机制过渡到双极导电机制的过程。通过反向I-V曲线发现,反向电流与温度和电压具有强依赖关系,小偏压下由肖特基效应主导;随着电压的增加,反向漏电由热场发射机制主导。3.开展了4H-SiC JBS二极管的可靠性实验并分析了器件失效原因。针对FLR结构的4H-SiC JBS二极管设计了四种老化实验,以评估器件在高温、高湿、功率负载等条件下的长期可靠性。在浪涌实验中,对二极管施加单次正弦半波的电流脉冲,脉冲宽度为10 ms,发现二极管能承受的最大浪涌电流为115 A。在高温高湿反偏实验中,在对二极管施加600 V偏压的前提下,将其置于高温高湿环境中1000小时,老化结束后发现一颗器件的击穿电压下降到900 V左右,利用扫描电子显微镜、激光光束诱导电阻变化进行失效分析。在间歇寿命（IOL）老化实验中,经过3000次功率循环后,二极管的各项参数保持稳定。在温度循环（TC）实验中,将器件分别置于175℃和-55℃的环境中15分钟,随着循环次数的增加,部分器件的正向压降明显上升,通过反射式扫描声学显微镜发现失效器件出现了严重分层。4.研究了4H-SiC JBS二极管在Boost型功率因数校正（Power Factor Correction,PFC）电路中的应用。相较于传统的Si基快恢复二极管（Fast Recovery Diode,FRD）,4H-SiC JBS二极管可以有效提高PFC电路的性能。利用制备的器件搭建了Boost PFC样机分别对两者进行测试,电路开关频率为50 kHz。测试结果显示,当输出功率为1000 W时,相比于传统的Si FRD,使用SiC JBS的整机效率由97%提升至98.13%;当输出功率从400 W变化到1000 W时,Si FRD的工作温度从36.2℃升至96.6℃,而SiC JBS的温度仅仅从27.8℃升至47.8℃,表明SiC JBS对提升PFC电路的性能具有明显优势。