Consistent charge or defect control in oxide grown on silicon carbide (SiC) continues to be difficult to achieve and directly impacts the electrical performance of SiC-based metal oxide semiconductor (MOS) devices. This research applied non-contact Corona-Kelvin metrology to investigate the charge transport in oxides grown on n-type 4H-SiC epitaxial substrates. The cost and engineering science impact of this metrology are significant as device fabrication is avoided leading to quick determination of electrical characteristics from as-grown oxide films. Non-contact current-voltage (I-V) measurements of oxide on SiC were first demonstrated within this work and revealed that Fowler-Nordheim (F-N) current emission was the dominant conduction mechanism at high electric fields. Oxides on SiC were grown at atmospheric pressure (thermal oxides) or at a reduced pressure (afterglow oxides) ambient and examined using non-contact charge-voltage (Q-V), capacitance-voltage (C-V), equivalent oxide thickness (EOT), and I-V methods. The F-N conduction model was modified to address charge trapping and effective barrier effects obtained from experimental oxide films. Trap densities determined with this metrology were used to show that the F-N model including their density and position was adequate for thermal oxides on SiC but not for afterglow films. Data from the latter films required further modification of the theory to include a chemical effect of the oxide growth process on the effective conduction band offset or barrier. This work showed that afterglow chemistry was able to vary the effective conduction band offset from 2.9 eV, typical of thermal oxidation of SiC, up to 3.2 eV. Stress induced leakage current (SILC), an excess above the F-N base current resulting from prolonged current through the dielectric films, was also investigated. Multiple point SILC testing was used to identify statistical effects of process variations and defects in as-grown oxide films on SiC. These results open the possibility to improve oxide manufacture on SiC using methods common in the silicon IC industry. This work demonstrated the first non-contact F-N current determination in oxides on SiC and showed both charge trapping and chemical dependencies of as-grown films. Future studies may extend the findings of this work to further improve this important dielectric-semiconductor system.

O desenvolvimento de sistemas de conversão de energia baseados na tecnologia de células a combustível tem demandado estudos de confiabilidade, uma vez que requisitos de durabilidade e custo passaram a ser fundamentais para a inserção desta tecnologia no mercado de energia. Neste trabalho foi proposta uma metodologia de análise de confiabilidade de células a combustível de membrana polimérica condutora de prótons (células a combustível do tipo PEM), tendo em vista a qualificação destes itens como protótipos de unidades comerciais. A metodologia proposta incluiu uma avaliação inicial qualitativa das possíveis falhas em células a combustível do tipo PEM, realizada pela aplicação de uma Análise de Modos de Falha e Efeitos, técnica conhecida pela sigla FMEA. Além disso, foi elaborado um plano de testes de vida para as unidades produzidas no IPEN CNEN/SP e foi efetuada a análise dos resultados usando-se métodos estatísticos para dados de confiabilidade. Assim, a parte experimental consistiu em produzir as células a combustível no laboratório e submetê-las aos testes de vida, nos quais foram simuladas condições reais de operação. Os dados amostrais foram analisados estatisticamente, gerando resultados importantes em relação às medidas de desempenho e durabilidade dos dispositivos em estudo. Por meio de uma análise não paramétrica, foi gerada uma estimativa da função de confiabilidade das células a combustível usando-se o estimador de Kaplan- Meier. Pela modelagem paramétrica, foi possível ajustar uma distribuição exponencial para o tempo de vida destes dispositivos, gerando uma estimativa de vida média de 1.094,58 horas, com intervalo de 95% de confiança de [533,03 horas; 2.836,13 horas]. Com relação ao desempenho, foi aplicada uma regressão linear simples aos dados de potencial elétrico ao longo do tempo, gerando um valor aproximado para a taxa de queda do potencial elétrico de 80 μV h-1. Cabe ressaltar que, a metodologia proposta neste estudo deverá ser integrada ao processo de desenvolvimento das células a combustível, para permitir o acompanhamento da melhoria de sua confiabilidade. / The development of power conversion systems based on fuel cells has been demanding reliability studies since the requirements associated to cost and durability of these products have become fundamental to their acceptance in the energy market. The reliability analysis proposed in this work aimed to qualify the proton exchange membrane (PEM) fuel cells produced at IPEN CNEN/SP as prototypes of commercial units. The methodology included an initial assessment of failures of the PEM fuel cells, which was carried out by the application of a Failure Mode and Effect Analysis (FMEA). Furthermore, the methodology involved the planning of life tests and the quantitative assessment based on statistical methods for reliability data. Thus, the experimental part of this work consisted of producing the fuel cells in the laboratory, and testing them under stable and dynamic operating conditions. The main results of the quantitative analysis were the estimates of the reliability function and mean time to failure of the PEM fuel cells. These estimates were obtained by means of two different approaches, a non parametric and a parametric one. In the non parametric analysis, the Kaplan-Meier estimator was used for the reliability function. Based on the parametric analysis, an exponential distribution was fit to data and the mean time to failure of the PEM fuel cells was estimated in 1.094,58 hours, with a 95% confidence interval of [533,03 hours; 2.836,13 hours]. Concerning the PEM fuel cells performance, a linear regression analysis of the observed data (voltage vs. time) was carried out and an approximate estimate for the voltage decay rate was calculated in 80 μV h-1. Finally, the methodology proposed in this work may be integrated into the development project of the PEM fuel cells so as to allow researchers to carry out a reliability growth analysis and monitor the improvements in these products.

O desenvolvimento de sistemas de conversão de energia baseados na tecnologia de células a combustível tem demandado estudos de confiabilidade, uma vez que requisitos de durabilidade e custo passaram a ser fundamentais para a inserção desta tecnologia no mercado de energia. Neste trabalho foi proposta uma metodologia de análise de confiabilidade de células a combustível de membrana polimérica condutora de prótons (células a combustível do tipo PEM), tendo em vista a qualificação destes itens como protótipos de unidades comerciais. A metodologia proposta incluiu uma avaliação inicial qualitativa das possíveis falhas em células a combustível do tipo PEM, realizada pela aplicação de uma Análise de Modos de Falha e Efeitos, técnica conhecida pela sigla FMEA. Além disso, foi elaborado um plano de testes de vida para as unidades produzidas no IPEN CNEN/SP e foi efetuada a análise dos resultados usando-se métodos estatísticos para dados de confiabilidade. Assim, a parte experimental consistiu em produzir as células a combustível no laboratório e submetê-las aos testes de vida, nos quais foram simuladas condições reais de operação. Os dados amostrais foram analisados estatisticamente, gerando resultados importantes em relação às medidas de desempenho e durabilidade dos dispositivos em estudo. Por meio de uma análise não paramétrica, foi gerada uma estimativa da função de confiabilidade das células a combustível usando-se o estimador de Kaplan- Meier. Pela modelagem paramétrica, foi possível ajustar uma distribuição exponencial para o tempo de vida destes dispositivos, gerando uma estimativa de vida média de 1.094,58 horas, com intervalo de 95% de confiança de [533,03 horas; 2.836,13 horas]. Com relação ao desempenho, foi aplicada uma regressão linear simples aos dados de potencial elétrico ao longo do tempo, gerando um valor aproximado para a taxa de queda do potencial elétrico de 80 μV h-1. Cabe ressaltar que, a metodologia proposta neste estudo deverá ser integrada ao processo de desenvolvimento das células a combustível, para permitir o acompanhamento da melhoria de sua confiabilidade. / The development of power conversion systems based on fuel cells has been demanding reliability studies since the requirements associated to cost and durability of these products have become fundamental to their acceptance in the energy market. The reliability analysis proposed in this work aimed to qualify the proton exchange membrane (PEM) fuel cells produced at IPEN CNEN/SP as prototypes of commercial units. The methodology included an initial assessment of failures of the PEM fuel cells, which was carried out by the application of a Failure Mode and Effect Analysis (FMEA). Furthermore, the methodology involved the planning of life tests and the quantitative assessment based on statistical methods for reliability data. Thus, the experimental part of this work consisted of producing the fuel cells in the laboratory, and testing them under stable and dynamic operating conditions. The main results of the quantitative analysis were the estimates of the reliability function and mean time to failure of the PEM fuel cells. These estimates were obtained by means of two different approaches, a non parametric and a parametric one. In the non parametric analysis, the Kaplan-Meier estimator was used for the reliability function. Based on the parametric analysis, an exponential distribution was fit to data and the mean time to failure of the PEM fuel cells was estimated in 1.094,58 hours, with a 95% confidence interval of [533,03 hours; 2.836,13 hours]. Concerning the PEM fuel cells performance, a linear regression analysis of the observed data (voltage vs. time) was carried out and an approximate estimate for the voltage decay rate was calculated in 80 μV h-1. Finally, the methodology proposed in this work may be integrated into the development project of the PEM fuel cells so as to allow researchers to carry out a reliability growth analysis and monitor the improvements in these products.