导通电流密度突破50A/cm2，新型IGBT诞生，made in China
2020-01-02来源: 悦智网关键字：IGBT 二氧化硅 SiC
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几十年前，在功率半导体器件领域，半导体硅材料一直“独唱主角”，硅基超大规模集成技术对硅功率器件的发展产生了重大影响。然而，随着功率领域对小型化、高频、高温、高压和抗辐照特性的迫切需求，硅基功率器件达到了理论极限，第二代半导体材料砷化镓（GaAs），以及以碳化硅（SiC）半导体材料和氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）、金刚石等宽禁带半导体材料（禁带宽度大于3.2eV）等为代表的第三代半导体材料纷纷登上半导体的舞台。
与第一代半导体材料硅和第二代半导体材料砷化镓相比，碳化硅材料具有带隙宽（硅的2.9倍）、临界击穿电场高（硅的10倍）、热导率高（硅的3.3倍）、载流子饱和漂移速度高（硅的1.9倍）和极佳的化学稳定性和热稳定性等特点，是制造新一代高温、大功率、电力电子和光电子器件的理想材料。在相同击穿电压的情况下，碳化硅基功率器件的导通电阻只有硅器件的1/200，极大地降低了变换器的导通损耗。据统计，若全国使用全碳化硅电力电子器件进行电能传输，每年可节省的电量相当于2个三峡水电站的发电量。根据美国科锐公司的研究，如果在全球范围内广泛使用碳化硅功率器件，每年节能将达到350亿美元。因此，碳化硅基功率器件将能够大大降低能耗，满足未来电力系统对电力电子器件耐高压、低功耗的需求。
随着碳化硅衬底、外延生长和工艺技术的不断进展，中等阻断电压（600～1 700V）的碳化硅肖特基势垒二极管（SBD）和功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）已经逐步实现商业化。然而，人们对材料特性、材料缺陷对碳化硅功率器件性能以及可靠性的影响机制仍然缺乏足够的了解，尤其是针对10kV以上的大容量碳化硅功率器件，通常需要碳化硅厚膜外延材料。高厚度、低缺陷的高质量碳化硅同质异型外延直接决定了碳化硅基电力电子器件性能的优劣。其次，碳化硅基绝缘栅双极晶体管（IGBT）面临的最大挑战是载流子迁移率低（10cm2/Vs），只有碳化硅基MOSFET器件的1/10，比碳化硅体材料（1000cm2/Vs）低两个数量级。载流子迁移率的高低决定着半导体器件的电导率与工作频率，影响着器件的开关损耗和工作效率。
当前，碳化硅基功率器件面临着严峻的挑战，现有的碳化硅基肖特基二极管，MOSFET等器件并不能有效地满足实际应用需要，对IGBT器件的需求日益迫切，必须突破碳化硅基IGBT研究中的瓶颈问题，增加器件耐压强度，提高沟道迁移率。针对这些核心技术难题，中国科学院半导体研究所的研究团队从决定碳化硅基IGBT载流子迁移率的最基本科学规律入手，揭示载流子输运机理、能带结构对准，生长出高质量碳化硅厚膜外延材料和低界面态栅介质层材料，研究与调控材料界面和表面，最终研制出具有高载流子迁移率和高阻断电压的碳化硅 IGBT器件。
实现高温度、低缺陷碳化硅外延生长与原位掺杂技术
碳化硅厚外延的生长是高压大容量IGBT器件研制的基础之一，厚外延层、低背景载流子浓度是碳化硅器件耐击穿的保证。为此，研究团队对快速外延生长条件下的温场和流场分布进行了研究，建立了碳化硅生长速率与工艺条件的内在联系，采用热壁CVD反应生长室，提高碳化硅 CVD系统温度场的均匀性；同时采用的低压化学气相沉积的方法可以调节反应气体的流量、改变生长温度等，进而增加碳化硅外延的生长速率，并保证恒定的碳与硅比例，使碳化硅外延在快速生长的同时，成分保持恒定。
最终，研究团队在中国率先达到碳化硅外延生长速率超过80微米/小时以上的目标，达到国际先进水平。通过调节生长条件，碳化硅超厚外延层缺陷密度大大降低，结晶质量高并且无其他晶型，表面粗糙度达到1nm以下。此外，研究团队通过降低背景载流子浓度，实现了高压大容量功率器件用低背景载流子浓度的碳化硅厚外延生长。
中国首次研制出10kV p沟道50A/cm2 碳化硅 IGBT器件
热生长二氧化硅是碳化硅基IGBT栅介质材料的首选，而二氧化硅与碳化硅界面的缺陷对IGBT器件的载流子迁移率、正向导通电阻等性能参数具有决定性的影响。为了提高碳化硅 IGBT的导通特性，研究团队通过介质钝化技术，有效降低二氧化硅与碳化硅的界面缺陷密度，提高了MOS界面沟道迁移率。同时，针对制备IGBT所需要的多次离子注入，研究团队通过调整高温退火过程中温度、时间、升降温速率及氛围等工艺参数对杂质激活和晶格恢复，优化工艺条件，为IGBT器件制备奠定基础。
在此基础上，研究团队调整元胞布局结构，成功实现导通电流密度突破 50A/cm2 ，这在国内尚属首次。在功率密度为300W/cm2的封装极限下，研究团队采用六角形元胞将碳化硅 IGBT的导通电流密度提升至接近40A/cm2，微分比导通电阻提升至56.92 mΩ?cm2，相比于同等阻断电压的碳化硅 MOSFET器件，碳化硅 IGBT漂移层具有载流子注入增强效应，因而导通性能大大提升，这极大地降低了高压电力电子功率变换器的导通损耗。研究团队所研制的条形元胞和六角形元胞IGBT器件均超过碳化硅材料单极型极限，性能达到国内领先水平，这再一次表明：通过减少碳化硅厚膜外延层中的缺陷密度，尤其是深能级缺陷密度，减少MOS结构界面态和表面态，提高碳化硅快速外延生长技术，可以大幅提高碳化硅 IGBT器件的导通能力。
新型碳化硅超高压器件终端技术
在碳化硅 IGBT的研制过程中，离子注入掺杂工艺在器件外围形成球面结和柱面结，因此需要设计有效的终端结构来提高高压碳化硅器件的击穿能力。常用于碳化硅终端技术的结构包括结终端扩展（JTE）、场限环（GR）、场板等。研究团队利用阶梯空间调制结终端扩展（SSM-JTE）终端结构有效提高了器件阻断电压对掺杂浓度的容忍范围，大大减小了10kV情况下器件的漏电流，碳化硅 IGBT 10 kV时漏电流仅为10nA。科研团队所研制的大容量碳化硅 IGBT器件可应用于新一代智能电网领域，进一步优化电力分配系统，使电网的效率更高、切换更快，特别是远距离输电线路。使用该种碳化硅器件可将功耗降低一半，由此将减少电力装备热量，从而大幅度降低电力变换器的体积和重量，这对于工作温度可达200℃的电力系统是相当有益的。据报道，2010年世界平均电能消耗与总能源消耗的比率约为20％，并且在近几年该比率迅速增加。而调节电能离不开功率半导体器件，研究团队的研究成果将在高效节能方面扮演极其重要的角色。接下来，研究团队将继续深化研究，为全面提升我国全控型电力电子器件的原始创新能力提供科研助力，进而增强我国在这一战略性领域中的国际竞争力。