迈向更坚固、更便宜的碳化硅

碳化硅在功率半导体市场，尤其是在电动汽车领域正获得越来越多的关注，但对于许多应用来说，它仍然过于昂贵。

原因很好理解，但直到最近，碳化硅在很大程度上还是一种利基技术，不值得投资。现在，随着对可在高压应用中工作的芯片的需求增长，SiC得到了更密切的关注。与硅功率器件的其他潜在替代品不同，SiC具有熟悉性的优势。

碳化硅最初用于晶体收音机的探测二极管，是首批具有重要商业意义的半导体之一。自2008年以来，商用SiC jfet已经可用，并且在电子器件中特别有用极端环境中．SiC mosfet于2011年商业化。该材料具有3.26 eV的中等带隙，击穿电压是硅的10倍。

不幸的是，碳化硅也很难制造。日立能源全球产品管理副总裁Tobias Keller解释说，标准的CZ生长方法是不可用的。CZ生长在硅坩埚中熔化硅的温度约为1500℃，但碳化硅的熔点在2700℃以上。

相反，碳化硅晶体通常是由李法．SiC粉末在氩气中加热到2500°C以上，在那里它升华成种子晶体。该过程给出了足够的结果，但它容易出现缺陷并且难以控制。工程师执行检查由于堆积缺陷和其他缺陷，通常会识别大量的“死”区。

SiC器件建立在针对预期工作电压进行优化的定制外延器件层上。较厚的脱毛层可以承受更高的电压，但它们也往往有更多的缺陷。Keller表示，在过去两年中，晶圆质量的提高和对死区的早期识别使整体产量提高了30%。

更好的电介质，更高的迁移率
SiC mosfet进一步受到栅极氧化物/碳化物界面质量普遍较差的限制。在12月的IEEE电子器件会议(IEDM)上，日本京都大学和大阪大学的研究人员T. Kimoto及其同事解释说，界面上的碳-碳缺陷似乎是由SiC的直接氧化引起的。这些缺陷位于SiC导带边缘附近，在那里它们会增加通道电阻并导致成品器件中的阈值电压偏移。

作为SiC氧化的替代方法，Kimoto的团队首先用氢等离子体蚀刻表面，然后沉积SiO₂CVD，然后氮化界面。该工艺降低了陷阱密度，并将反转层电子迁移率提高了一倍以上，达到80厘米²/V-sec在10V栅极偏置。

日立能源公司(原ABB半导体)的Stephan Wirths及其同事证明，一种未命名的高k介电化合物可以与SiC形成低缺陷界面，而无需SiO所需的钝化步骤₂．与硅器件一样，在SiC mosfet中使用高k栅极介电体也增加了给定电容下的物理厚度，减少了栅极泄漏电流。

图1:高k SiC功率MOSFET。资料来源:日立能源

SiC载流子的移动性差给器件设计人员带来了另一个挑战。即使经过几十年的工作，通过优化栅极电介质获得的最佳迁移率仍然比硅的低10倍。因此，沟道电阻相应地比硅高10倍。

在功率器件中，低迁移率限制了性能和耐用性。器件电阻和开关损耗直接影响电动汽车的行驶里程等参数。Sonrisa Research总裁James Cooper指出，虽然植入掺杂剂和结构修改可以降低通道阻力，但这样做还可以通过增加电流密度来缩短短路耐受时间。［3］

在短路中生存
短路耐受时间是电力设备的一项重要安全参数。如果设备因任何原因短路，它需要存活足够长的时间以使保护电路做出反应。故障不仅会造成电力负荷的永久性损坏，还会造成用户人身伤害、火灾和财产损失。确切的要求取决于保护电路的设计，但通常是5到10微秒。随着电流密度的增加，短路条件下的温度也会增加，并且承受时间会减少。

SiC mosfet的商业应用一直缓慢，部分原因是这些器件的承受时间往往比类似额定的硅器件短。因此，设计人员希望改变通道电阻与电流密度之间的关系。有没有可能在不增加电流密度到危险水平的情况下降低电阻?

一个可能的解决方案是减少栅极偏置，同时也减少氧化物的厚度。Cooper解释说，更薄的氧化物改善了对通道的控制——就像在硅mosfet中一样——允许更低的电压工作。这种解决方案只需要对制造过程进行很少的更改。虽然很少有研究SiC器件与薄电介质存在，硅器件使用的氧化物薄至5nm，没有不必要的隧道。此外，如上所述，使用高k介电体可以在保持物理厚度的同时提供更好的通道控制。

第二种方案是由纽约州立大学理工学院的Dongyoung Kim和Woongje Sung提出的，他们试图通过增加有效沟道厚度来降低电流密度。他们使用4°倾角植入深p井，沿着<0001> SiC晶格方向利用离子通道。这种方法只需要对制造过程进行微小的改变，因为深井植入物使用与常规井相同的掩膜。由此产生的器件将最大漏极电流降低了约2.7倍，并将承受时间增加了四倍。［4］

为了解决类似的问题，硅工业转向了现在无处不在的finFET。在恒定电流下增加通道面积会降低电流密度。普渡大学的研究人员展示了一种具有多晶硅栅极和多个亚微米鳍的SiC三栅极MOSFET，其比通道电阻降低了3.6倍。[5]

图2:三栅SiC MOSFET的电流路径和沟道宽度。来源:IEEE电子器件快报

虽然目前尚不清楚功率器件行业将多快采用finFET这样激进的架构，但SiC的高击穿电压是一个引人注目的优势。希望实现这一优势的制造商需要找到解决方案，以应对低迁移率和高电流密度带来的挑战。

参考文献
[10] T. Kimoto等，“SiC功率器件的物理与创新技术”，2021年IEEE国际电子器件会议(IEDM)， 2021, pp. 36.1.1-36.1.4, doi: 10.1109/IEDM19574.2021.9720696。

王志强，“高k/金属栅极堆叠的1.2kV SiC功率mosfet”，2019年第31届功率半导体器件与集成电路国际学术研讨会，2019,pp. 103-106, doi: 10.1109/ISPSD.2019.8757601。

[10] J. A. Cooper等人，“恒定栅极电荷缩放以提高碳化硅功率mosfet的稳健性的演示”，inIEEE电子设备汇刊，第68卷，第68期。9, pp. 4577-4581, Sept. 2021, doi: 10.1109/TED.2021.3099455。

[10]李建军，“利用沟道注入实现的深p阱提高了1.2kV 4H-SiC MOSFET的短路稳健性，IEEE电子器件快报，第42卷，第2期。12, pp. 1822-1825, december 2021, doi: 10.1109/LED.2021.3123289。

[10]陈晓明，陈晓明，陈晓明，“三栅极MOSFET:一种新型的4H-SiC垂直功率晶体管”，第3期IEEE电子器件快报，第42卷，第2期。1, pp. 90-93, 2021, doi: 10.1109/LED.2020.3040239。