幾十年前，在功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，半導(dǎo)體硅材料一直“獨(dú)唱主角”，硅基超大規(guī)模集成技術(shù)對硅功率器件的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。然而，隨著功率領(lǐng)域?qū)π⌒突⒏哳l、高溫、高壓和抗輻照特性的迫切需求，硅基功率器件達(dá)到了理論極限，第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs），以及以碳化硅（SiC）半導(dǎo)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(dǎo)體材料（禁帶寬度大于3.2eV）等為代表的第三代半導(dǎo)體材料紛紛登上半導(dǎo)體的舞臺。

與第一代半導(dǎo)體材料硅和第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵相比，碳化硅材料具有帶隙寬（硅的2.9倍）、臨界擊穿電場高（硅的10倍）、熱導(dǎo)率高（硅的3.3倍）、載流子飽和漂移速度高（硅的1.9倍）和極佳的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是制造新一代高溫、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，碳化硅基功率器件的導(dǎo)通電阻只有硅器件的1/200，極大地降低了變換器的導(dǎo)通損耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，若全國使用全碳化硅電力電子器件進(jìn)行電能傳輸，每年可節(jié)省的電量相當(dāng)于2個(gè)三峽水電站的發(fā)電量。根據(jù)美國科銳公司的研究，如果在全球范圍內(nèi)廣泛使用碳化硅功率器件，每年節(jié)能將達(dá)到350億美元。因此，碳化硅基功率器件將能夠大大降低能耗，滿足未來電力系統(tǒng)對電力電子器件耐高壓、低功耗的需求。

隨著碳化硅襯底、外延生長和工藝技術(shù)的不斷進(jìn)展，中等阻斷電壓（600～1 700V）的碳化硅肖特基勢壘二極管（SBD）和功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。然而，人們對材料特性、材料缺陷對碳化硅功率器件性能以及可靠性的影響機(jī)制仍然缺乏足夠的了解，尤其是針對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、低缺陷的高質(zhì)量碳化硅同質(zhì)異型外延直接決定了碳化硅基電力電子器件性能的優(yōu)劣。其次，碳化硅基絕緣柵雙極晶體管（IGBT）面臨的最大挑戰(zhàn)是載流子遷移率低（10cm2/Vs），只有碳化硅基MOSFET器件的1/10，比碳化硅體材料（1000cm2/Vs）低兩個(gè)數(shù)量級。載流子遷移率的高低決定著半導(dǎo)體器件的電導(dǎo)率與工作頻率，影響著器件的開關(guān)損耗和工作效率。

當(dāng)前，碳化硅基功率器件面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的碳化硅基肖特基二極管，MOSFET等器件并不能有效地滿足實(shí)際應(yīng)用需要，對IGBT器件的需求日益迫切，必須突破碳化硅基IGBT研究中的瓶頸問題，增加器件耐壓強(qiáng)度，提高溝道遷移率。針對這些核心技術(shù)難題，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的研究團(tuán)隊(duì)從決定碳化硅基IGBT載流子遷移率的最基本科學(xué)規(guī)律入手，揭示載流子輸運(yùn)機(jī)理、能帶結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)，生長出高質(zhì)量碳化硅厚膜外延材料和低界面態(tài)柵介質(zhì)層材料，研究與調(diào)控材料界面和表面，最終研制出具有高載流子遷移率和高阻斷電壓的碳化硅 IGBT器件。

實(shí)現(xiàn)高溫度、低缺陷碳化硅外延生長與原位摻雜技術(shù)

碳化硅厚外延的生長是高壓大容量IGBT器件研制的基礎(chǔ)之一，厚外延層、低背景載流子濃度是碳化硅器件耐擊穿的保證。為此，研究團(tuán)隊(duì)對快速外延生長條件下的溫場和流場分布進(jìn)行了研究，建立了碳化硅生長速率與工藝條件的內(nèi)在聯(lián)系，采用熱壁CVD反應(yīng)生長室，提高碳化硅 CVD系統(tǒng)溫度場的均勻性；同時(shí)采用的低壓化學(xué)氣相沉積的方法可以調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的流量、改變生長溫度等，進(jìn)而增加碳化硅外延的生長速率，并保證恒定的碳與硅比例，使碳化硅外延在快速生長的同時(shí)，成分保持恒定。

最終，研究團(tuán)隊(duì)在中國率先達(dá)到碳化硅外延生長速率超過80微米/小時(shí)以上的目標(biāo)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。通過調(diào)節(jié)生長條件，碳化硅超厚外延層缺陷密度大大降低，結(jié)晶質(zhì)量高并且無其他晶型，表面粗糙度達(dá)到1nm以下。此外，研究團(tuán)隊(duì)通過降低背景載流子濃度，實(shí)現(xiàn)了高壓大容量功率器件用低背景載流子濃度的碳化硅厚外延生長。

中國首次研制出10kV p溝道50A/cm2 碳化硅 IGBT器件

熱生長二氧化硅是碳化硅基IGBT柵介質(zhì)材料的首選，而二氧化硅與碳化硅界面的缺陷對IGBT器件的載流子遷移率、正向?qū)娮璧刃阅軈?shù)具有決定性的影響。為了提高碳化硅 IGBT的導(dǎo)通特性，研究團(tuán)隊(duì)通過介質(zhì)鈍化技術(shù)，有效降低二氧化硅與碳化硅的界面缺陷密度，提高了MOS界面溝道遷移率。同時(shí)，針對制備IGBT所需要的多次離子注入，研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整高溫退火過程中溫度、時(shí)間、升降溫速率及氛圍等工藝參數(shù)對雜質(zhì)激活和晶格恢復(fù)，優(yōu)化工藝條件，為IGBT器件制備奠定基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)調(diào)整元胞布局結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通電流密度突破 50A/cm2 ，這在國內(nèi)尚屬首次。在功率密度為300W/cm2的封裝極限下，研究團(tuán)隊(duì)采用六角形元胞將碳化硅 IGBT的導(dǎo)通電流密度提升至接近40A/cm2，微分比導(dǎo)通電阻提升至56.92 mΩ?cm2，相比于同等阻斷電壓的碳化硅 MOSFET器件，碳化硅 IGBT漂移層具有載流子注入增強(qiáng)效應(yīng)，因而導(dǎo)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(dǎo)通損耗。研究團(tuán)隊(duì)所研制的條形元胞和六角形元胞IGBT器件均超過碳化硅材料單極型極限，性能達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，這再一次表明：通過減少碳化硅厚膜外延層中的缺陷密度，尤其是深能級缺陷密度，減少M(fèi)OS結(jié)構(gòu)界面態(tài)和表面態(tài)，提高碳化硅快速外延生長技術(shù)，可以大幅提高碳化硅 IGBT器件的導(dǎo)通能力。

新型碳化硅超高壓器件終端技術(shù)

在碳化硅 IGBT的研制過程中，離子注入摻雜工藝在器件外圍形成球面結(jié)和柱面結(jié)，因此需要設(shè)計(jì)有效的終端結(jié)構(gòu)來提高高壓碳化硅器件的擊穿能力。常用于碳化硅終端技術(shù)的結(jié)構(gòu)包括結(jié)終端擴(kuò)展（JTE）、場限環(huán)（GR）、場板等。研究團(tuán)隊(duì)利用階梯空間調(diào)制結(jié)終端擴(kuò)展（SSM-JTE）終端結(jié)構(gòu)有效提高了器件阻斷電壓對摻雜濃度的容忍范圍，大大減小了10kV情況下器件的漏電流，碳化硅 IGBT 10 kV時(shí)漏電流僅為10nA?？蒲袌F(tuán)隊(duì)所研制的大容量碳化硅 IGBT器件可應(yīng)用于新一代智能電網(wǎng)領(lǐng)域，進(jìn)一步優(yōu)化電力分配系統(tǒng)，使電網(wǎng)的效率更高、切換更快，特別是遠(yuǎn)距離輸電線路。使用該種碳化硅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，這對于工作溫度可達(dá)200℃的電力系統(tǒng)是相當(dāng)有益的。據(jù)報(bào)道，2010年世界平均電能消耗與總能源消耗的比率約為20％，并且在近幾年該比率迅速增加。而調(diào)節(jié)電能離不開功率半導(dǎo)體器件，研究團(tuán)隊(duì)的研究成果將在高效節(jié)能方面扮演極其重要的角色。接下來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深化研究，為全面提升我國全控型電力電子器件的原始創(chuàng)新能力提供科研助力，進(jìn)而增強(qiáng)我國在這一戰(zhàn)略性領(lǐng)域中的國際競爭力。

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