日本发明新故障抑制技术 可解决SiC器件的双击退化问题

碳化硅（SiC）作为一种半导体材料，在多种应用中优于纯硅基半导体，被广泛应用于用于功率逆变器、电机驱动器和电池充电器。SiC器件具有高功率密度和降低高频功率损耗等优点，即使在高压下也能保持，且具有相对较低的成本。尽管如此，SiC仍存在长期可靠性问题。

4H-SiC（一种具有优异物理性能的SiC）最紧迫的问题之一是双极退化。这种现象是由4H-SiC晶体中堆垛层错的扩展引起的。简而言之，晶体结构中的小位错会随着时间的推移变成“单肖克利堆垛层错（single Shockley stacking faults）”的大缺陷，逐渐降低性能并导致器件失效。尽管目前有一些缓解该缺陷的方法，但反而使设备制造过程更加昂贵。

据外媒报道，由名古屋工业大学（Nagoya Institute of Technology）Masashi Kato副教授领导的日本研究小组现已找到解决该问题的可行方案，并发表与期刊《Scientific Reports》。研究人员提出一种称为“质子注入（proton implantation）”的故障抑制技术，可在器件制造过程前应用时防止4H-SiC半导体晶片的双极退化。

图片来源：名古屋工业大学

质子注入涉及使用粒子加速器将氢离子“注入”到衬底中。这个想法是通过固定晶体中的部分位错来防止单个肖克利堆垛层错的形成，这也是引入质子杂质的影响之一。然而，质子注入本身会损坏4H-SiC衬底，因此高温退火被用作修复这种损坏的附加处理步骤。

研究团队想要验证质子注入在设备制造过程之前应用时是否有效，该过程通常包括高温退火步骤。因此，研究人员在4H-SiC晶圆上进行了不同剂量的质子注入，并用它们制造了PiN二极管。

然后研究人员分析了这些二极管的电流-电压特性，并将它们与没有质子注入的普通二极管进行了比较。最后，研究人员捕获了二极管的电致发光图像，以检查是否形成了堆垛层错。

结果很好，因为经过质子注入的二极管的性能与普通二极管一样好，但没有双极退化的迹象。较低剂量的质子注入引起的二极管电流-电压特性的恶化并不显著。然而，对单个肖克利堆垛层错的扩展的抑制非常显著。

研究人员希望这些发现将有助于实现更可靠、更具成本效益的SiC器件，从而降低火车和车辆的功耗。

Kato博士表示：“尽管应考虑质子注入的额外制造成本，但这与铝离子注入产生的成本差不多，而铝离子注入是目前制造4H-SiC功率器件的重要步骤。此外，随着注入条件的进一步优化，该方法有可能将被应用于制造其他类型的基于4H-SiC的器件。”