新型碳化矽IGBT器件,首次成功實現導通電流密度突破50A/cm2

2020-11-30 電子發燒友

新型碳化矽IGBT器件，首次成功實現導通電流密度突破50A/cm2

悅智網 發表於 2020-01-23 17:05:00

幾十年前，在功率半導體器件領域，半導體矽材料一直「獨唱主角」，矽基超大規模集成技術對矽功率器件的發展產生了重大影響。然而，隨著功率領域對小型化、高頻、高溫、高壓和抗輻照特性的迫切需求，矽基功率器件達到了理論極限，第二代半導體材料砷化鎵（GaAs），以及以碳化矽（SiC）半導體材料和氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石等寬禁帶半導體材料（禁帶寬度大於3.2eV）等為代表的第三代半導體材料紛紛登上半導體的舞臺。

與第一代半導體材料矽和第二代半導體材料砷化鎵相比，碳化矽材料具有帶隙寬（矽的2.9倍）、臨界擊穿電場高（矽的10倍）、熱導率高（矽的3.3倍）、載流子飽和漂移速度高（矽的1.9倍）和極佳的化學穩定性和熱穩定性等特點，是製造新一代高溫、大功率、電力電子和光電子器件的理想材料。在相同擊穿電壓的情況下，碳化矽基功率器件的導通電阻只有矽器件的1/200，極大地降低了變換器的導通損耗。據統計，若全國使用全碳化矽電力電子器件進行電能傳輸，每年可節省的電量相當於2個三峽水電站的發電量。根據美國科銳公司的研究，如果在全球範圍內廣泛使用碳化矽功率器件，每年節能將達到350億美元。因此，碳化矽基功率器件將能夠大大降低能耗，滿足未來電力系統對電力電子器件耐高壓、低功耗的需求。

隨著碳化矽襯底、外延生長和工藝技術的不斷進展，中等阻斷電壓（600～1 700V）的碳化矽肖特基勢壘二極體（SBD）和功率金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）已經逐步實現商業化。然而，人們對材料特性、材料缺陷對碳化矽功率器件性能以及可靠性的影響機制仍然缺乏足夠的了解，尤其是針對10kV以上的大容量碳化矽功率器件，通常需要碳化矽厚膜外延材料。高厚度、低缺陷的高質量碳化矽同質異型外延直接決定了碳化矽基電力電子器件性能的優劣。其次，碳化矽基絕緣柵雙極電晶體（IGBT）面臨的最大挑戰是載流子遷移率低（10cm2/Vs），只有碳化矽基MOSFET器件的1/10，比碳化矽體材料（1000cm2/Vs）低兩個數量級。載流子遷移率的高低決定著半導體器件的電導率與工作頻率，影響著器件的開關損耗和工作效率。

當前，碳化矽基功率器件面臨著嚴峻的挑戰，現有的碳化矽基肖特基二極體，MOSFET等器件並不能有效地滿足實際應用需要，對IGBT器件的需求日益迫切，必須突破碳化矽基IGBT研究中的瓶頸問題，增加器件耐壓強度，提高溝道遷移率。針對這些核心技術難題，中國科學院半導體研究所的研究團隊從決定碳化矽基IGBT載流子遷移率的最基本科學規律入手，揭示載流子輸運機理、能帶結構對準，生長出高質量碳化矽厚膜外延材料和低界面態柵介質層材料，研究與調控材料界面和表面，最終研製出具有高載流子遷移率和高阻斷電壓的碳化矽 IGBT器件。

實現高溫度、低缺陷碳化矽外延生長與原位摻雜技術

碳化矽厚外延的生長是高壓大容量IGBT器件研製的基礎之一，厚外延層、低背景載流子濃度是碳化矽器件耐擊穿的保證。為此，研究團隊對快速外延生長條件下的溫場和流場分布進行了研究，建立了碳化矽生長速率與工藝條件的內在聯繫，採用熱壁CVD反應生長室，提高碳化矽 CVD系統溫度場的均勻性；同時採用的低壓化學氣相沉積的方法可以調節反應氣體的流量、改變生長溫度等，進而增加碳化矽外延的生長速率，並保證恆定的碳與矽比例，使碳化矽外延在快速生長的同時，成分保持恆定。

最終，研究團隊在中國率先達到碳化矽外延生長速率超過80微米/小時以上的目標，達到國際先進水平。通過調節生長條件，碳化矽超厚外延層缺陷密度大大降低，結晶質量高並且無其他晶型，表面粗糙度達到1nm以下。此外，研究團隊通過降低背景載流子濃度，實現了高壓大容量功率器件用低背景載流子濃度的碳化矽厚外延生長。

中國首次研製出10kV p溝道50A/cm2 碳化矽 IGBT器件

熱生長二氧化矽是碳化矽基IGBT柵介質材料的首選，而二氧化矽與碳化矽界面的缺陷對IGBT器件的載流子遷移率、正嚮導通電阻等性能參數具有決定性的影響。為了提高碳化矽 IGBT的導通特性，研究團隊通過介質鈍化技術，有效降低二氧化矽與碳化矽的界面缺陷密度，提高了MOS界面溝道遷移率。同時，針對製備IGBT所需要的多次離子注入，研究團隊通過調整高溫退火過程中溫度、時間、升降溫速率及氛圍等工藝參數對雜質激活和晶格恢復，優化工藝條件，為IGBT器件製備奠定基礎。

在此基礎上，研究團隊調整元胞布局結構，成功實現導通電流密度突破 50A/cm2 ，這在國內尚屬首次。在功率密度為300W/cm2的封裝極限下，研究團隊採用六角形元胞將碳化矽 IGBT的導通電流密度提升至接近40A/cm2，微分比導通電阻提升至56.92 mΩ•cm2，相比於同等阻斷電壓的碳化矽 MOSFET器件，碳化矽 IGBT漂移層具有載流子注入增強效應，因而導通性能大大提升，這極大地降低了高壓電力電子功率變換器的導通損耗。研究團隊所研製的條形元胞和六角形元胞IGBT器件均超過碳化矽材料單極型極限，性能達到國內領先水平，這再一次表明：通過減少碳化矽厚膜外延層中的缺陷密度，尤其是深能級缺陷密度，減少MOS結構界面態和表面態，提高碳化矽快速外延生長技術，可以大幅提高碳化矽 IGBT器件的導通能力。

新型碳化矽超高壓器件終端技術

在碳化矽 IGBT的研製過程中，離子注入摻雜工藝在器件外圍形成球面結和柱面結，因此需要設計有效的終端結構來提高高壓碳化矽器件的擊穿能力。常用於碳化矽終端技術的結構包括結終端擴展（JTE）、場限環（GR）、場板等。研究團隊利用階梯空間調製結終端擴展（SSM-JTE）終端結構有效提高了器件阻斷電壓對摻雜濃度的容忍範圍，大大減小了10kV情況下器件的漏電流，碳化矽 IGBT 10 kV時漏電流僅為10nA。科研團隊所研製的大容量碳化矽 IGBT器件可應用於新一代智能電網領域，進一步優化電力分配系統，使電網的效率更高、切換更快，特別是遠距離輸電線路。使用該種碳化矽器件可將功耗降低一半，由此將減少電力裝備熱量，從而大幅度降低電力變換器的體積和重量，這對於工作溫度可達200℃的電力系統是相當有益的。據報導，2010年世界平均電能消耗與總能源消耗的比率約為20％，並且在近幾年該比率迅速增加。而調節電能離不開功率半導體器件，研究團隊的研究成果將在高效節能方面扮演極其重要的角色。接下來，研究團隊將繼續深化研究，為全面提升我國全控型電力電子器件的原始創新能力提供科研助力，進而增強我國在這一戰略性領域中的國際競爭力。

責任編輯：gt

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