寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅IGBT器件研究進(jìn)展與前瞻*

張峰，張國良

（廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廈門 361005）

1 引言

功率半導(dǎo)體技術(shù)作為微電子器件領(lǐng)域的重要分支，在綠色能源、航天、交通運(yùn)輸和電力傳輸?shù)确矫嬗兄鴱V泛的應(yīng)用，并對人們的生產(chǎn)生活方式產(chǎn)生了十分深刻的影響。目前，功率半導(dǎo)體技術(shù)水平的高低已成為一個(gè)國家科技發(fā)展水平和綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)，因此當(dāng)今世界各國特別是發(fā)達(dá)國家都把該技術(shù)作為科技發(fā)展的重中之重。半導(dǎo)體器件自身性能與其所使用的材料密切相關(guān)。在半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程中，人們習(xí)慣于把硅（Si）、鍺（Ge）等材料稱為傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，將砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）等稱為窄禁帶半導(dǎo)體材料，將碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）和氮化鋁（AlN）等稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料[1-4]。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料Si和窄禁帶半導(dǎo)體材料GaAs相比，SiC材料具有帶隙寬（是Si的2.9倍）、臨界擊穿電場高（是Si的10倍）、熱導(dǎo)率高（是Si的3.3倍）、載流子飽和漂移速度高（是Si的1.9倍）以及化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性極佳等特點(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。在具備相同擊穿電壓的情況下，SiC基功率器件的導(dǎo)通電阻只有Si器件的1/200，極大地降低了變換器的導(dǎo)通損耗，這使得SiC材料在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力[5]。另外，SiC器件的散熱效率高，能大幅降低器件外圍冷卻設(shè)施的體積和重量，因此，SiC功率器件也被稱為綠色能源革命中的核心器件。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，SiC在材料生長與器件制備等方面都取得了長足的進(jìn)展，其商品化水平不斷提高。進(jìn)一步推動(dòng)SiC產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程、擴(kuò)大SiC功率器件市場份額已成為寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域的重要研究課題。

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率半導(dǎo)體全控型器件，集功率MOSFET的高速性能與雙極型器件的高增益于一體，具有輸入阻抗高、電壓控制功耗低、控制電路簡單、驅(qū)動(dòng)功率小、通態(tài)電阻低等特性，廣泛應(yīng)用在新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、綠色能源等領(lǐng)域。SiC基IGBT較Si基IGBT具有高耐壓、高功率的特點(diǎn)，然而其在發(fā)展過程中也遇到較大的挑戰(zhàn)，如導(dǎo)通特性較差、電導(dǎo)調(diào)制不強(qiáng)、關(guān)斷速度較慢等。為解決以上問題，新型結(jié)構(gòu)的SiC基IGBT結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

本文概述了SiC IGBT的發(fā)展歷程，梳理了P溝道SiC IGBT和N溝道SiC IGBT的經(jīng)典器件，總結(jié)了SiC IGBT的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

2 SiC IGBT發(fā)展歷程

通常來講，全控型半導(dǎo)體器件可以依照其導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子類型分為單極型半導(dǎo)體器件和雙極型半導(dǎo)體器件，在每一類中又可以分為電流控制型和電壓控制型[6]。

在較低阻斷電壓的應(yīng)用中，大多使用單極型半導(dǎo)體器件。最常用的單極型半導(dǎo)體器件是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），目前利用SiC材料制備溝槽柵MOSFET（UMOSFET）或者雙注入MOSFET（DMOSFET或DiMOSFET）已經(jīng)有大量的報(bào)道。雖然使用SiC材料可以使臨界電場增加，但隨著阻斷電壓的提高，單極型半導(dǎo)體器件的漂移區(qū)電阻不可避免地迅速增加，導(dǎo)通壓降也隨之增加。因此在更高電壓的應(yīng)用中，單極型半導(dǎo)體器件往往難以勝任。

雙極型半導(dǎo)體器件同樣具有厚的漂移區(qū)，與單極型半導(dǎo)體器件不同，對于雙極型半導(dǎo)體器件，如IGBT、柵控晶閘管（GTO）和電力晶體管（GTR），在導(dǎo)通狀態(tài)下，少數(shù)載流子會注入到漂移區(qū)中，形成漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制現(xiàn)象，提高了漂移區(qū)的導(dǎo)電能力，降低了器件的導(dǎo)通壓降。然而這些少數(shù)載流子在關(guān)斷過程中需要被去除，又導(dǎo)致了大的關(guān)斷損耗，因此GTO等器件只適用于對開關(guān)頻率要求不高的高阻斷電壓應(yīng)用中。目前SiC GTO和SiC GTR也有相當(dāng)多的報(bào)道。

GTO和BJT的開啟和關(guān)斷依賴柵極或基極的控制，這一弱點(diǎn)使電路設(shè)計(jì)者需要為其設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。為了解決這一問題，Baliga提出了IGBT的概念，其兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，并逐步發(fā)展出了多種IGBT結(jié)構(gòu)。近年來，由于各項(xiàng)工藝的進(jìn)步，越來越多的研究小組參與到SiC IGBT的研究中。

SiC IGBT的發(fā)展歷程較短，國內(nèi)外SiC IGBT部分發(fā)展歷程如圖1所示，1996年，RAMUNGUL等人制作出了第一個(gè)溝槽結(jié)構(gòu)的6H-SiC IGBT，通過該器件驗(yàn)證出在相同的漂移層厚度下，SiC IGBT的最大電流密度比SiC MOSFET高十倍左右[7]。1999年，SINGH等人制作出了第一個(gè)4H-SiC P溝道溝槽型IGBT，在室溫下其導(dǎo)通電阻為32Ω·cm2，該器件設(shè)計(jì)阻斷電壓為790 V，但由于沒有解決寄生NPN晶體管的高增益問題，其在85 V時(shí)便被擊穿[8]。之后的SiC IGBT基本使用4H-SiC制作，因?yàn)橄啾扔谄渌偷腟iC，4H-SiC擁有較高的熱導(dǎo)率，而且其電子遷移率各向異性弱，遷移率更高。同時(shí)從單晶襯底角度看，4H-SiC的施主雜質(zhì)濃度更高，這意味著器件的電阻率也更低。2005年，ZHANG等人首次制作出10 kV N溝道溝槽型IGBT，其在室溫下比導(dǎo)通電阻為17 mΩ·cm2。在SiC IGBT器件研究歷程的前期，研究多是集中在P溝道的SiC IGBT，原因是相比于N型的襯底，P型襯底的電阻率更低且缺陷更多[9]。隨著研究的不斷深入，SiC IGBT的性能也逐步提升，導(dǎo)通電阻更是呈現(xiàn)不斷進(jìn)步的趨勢，2007年，ZHANG等人引入電荷存儲層（CSL），在消除JFET效應(yīng)的同時(shí)增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使制作出的器件導(dǎo)通電阻進(jìn)一步降低，該器件阻斷電壓為7.5 kV，在室溫下其比導(dǎo)通電阻約為26 mΩ·cm2[10]。2010年，WANG等人在獨(dú)立4H-SiC外延片上使用翻轉(zhuǎn)工藝在Si面上生長P型集電區(qū)，制作出了N溝道平面型IGBT，該器件的漂移區(qū)厚度為180μm，其阻斷電壓為20 kV，在300 W/cm2的功率密度下，電流密度可達(dá)到27.3 A/cm2[11]。2013年，YONEZAWA等人在翻轉(zhuǎn)工藝的基礎(chǔ)上采用翻轉(zhuǎn)注入外延的方法制作出了帶有CSL的N溝道平面型IGBT，該器件阻斷電壓可達(dá)16 kV，電流密度為100 A/cm2時(shí)，正向?qū)妷簽? V[12]。2014年，HINOJOSA等人利用N型襯底制備出了阻斷電壓為20 kV的N溝道平面型IGBT，該器件的比導(dǎo)通電阻為28 mΩ·cm2[13]。2018年，YANG等人研制出國內(nèi)首個(gè)12 kV N溝道平面型IGBT，該器件在集電極電壓為12 kV時(shí)，漏電流小于10μA，當(dāng)正向?qū)娏髅芏葹?4 A/cm2時(shí)，比導(dǎo)通電阻為140 mΩ·cm2[14]。2019年，WEN等人研制出國內(nèi)首枚10 kV P溝道平面型IGBT，該器件采用六角形元胞設(shè)計(jì)并使用階梯空間調(diào)制型結(jié)終端拓展（SSM-JTE）終端結(jié)構(gòu)，在300 W/cm2的功率密度下，其比導(dǎo)通電阻為56.92 mΩ·cm2，同時(shí)在集電極電壓為-10 kV時(shí)，其漏電流僅為50 nA[15]。2020年，國家電網(wǎng)研制了國內(nèi)首枚18 kV/12.5 A N溝道SiC IGBT。2022年，楊曉磊等人在N型SiC襯底上制備了國內(nèi)首枚超20 kV SiC N溝道IGBT器件，該器件阻斷電壓為20.08 kV時(shí)，漏電流僅為50μA，當(dāng)柵電極施加20 V電壓、集電極電流為20 A時(shí)，器件的導(dǎo)通電壓為6.0 V，此時(shí)器件的微分比導(dǎo)通電阻為27 mΩ·cm2[16]。自此，國產(chǎn)SiC IGBT的研究開始緊跟國際步伐。

圖1 國內(nèi)外SiC IGBT部分發(fā)展歷程

3 SiC IGBT的結(jié)構(gòu)與特性發(fā)展

IGBT器件具有P溝道和N溝道兩種類型。P溝道IGBT可以看作P溝道MOSFET和NPN型雙極型晶體管的混合，N溝道IGBT可以看作N溝道MOSFET和PNP型晶體管的混合。P溝道與N溝道IGBT結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。可以看出，N溝道IGBT基本結(jié)構(gòu)與P溝道IGBT相同，摻雜類型與P溝道IGBT反型。

圖2 P溝道與N溝道IGBT結(jié)構(gòu)

3.1 P溝道SiC IGBT器件結(jié)構(gòu)與特性

P溝道SiC IGBT的率先發(fā)展源于高質(zhì)量N型摻雜SiC襯底的成熟應(yīng)用。因此，早期SiC IGBT器件研究重點(diǎn)為P溝道IGBT器件。由于早期高溫離子注入的工藝不成熟，P溝道IGBT多采用溝槽柵結(jié)構(gòu)。SINGH等人[17]于2003年制備出了最早的P溝道槽柵4H-SiC及6H-SiC IGBT，P溝道溝槽柵IGBT基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 P溝道溝槽柵IGBT基本結(jié)構(gòu)[17]

SINGH對器件在不同溫度下的性能進(jìn)行了測試，在室溫下（300 K），該器件閾值電壓約為-28 V，柵擊穿電壓約為-40 V，導(dǎo)通電壓約為-7.1 V，導(dǎo)通電流為20 mA時(shí)，導(dǎo)通壓降約為-11.25 V，器件的漏-源擊穿電壓約為-85 V。較低的擊穿電壓預(yù)示著需要增加P+緩沖層的厚度或者P+緩沖層的摻雜。當(dāng)器件柵壓偏置在-32 V時(shí)，室溫下其微分比導(dǎo)通電阻為32.68Ω·cm2；當(dāng)溫度上升至350℃時(shí)，微分比導(dǎo)通電阻為0.226Ω·cm2。當(dāng)器件柵壓偏置在-34 V時(shí)，在室溫下其微分比導(dǎo)通電阻為66.7Ω·cm2；溫度升高到400℃時(shí)，器件表現(xiàn)出了較好的輸出特性，導(dǎo)通電流密度大幅上升，微分比導(dǎo)通電阻僅為0.297Ω·cm2。

隨著溫度的增加，器件具有更好的輸出特性，可能源于以下原因：①歐姆接觸電阻隨著溫度的增加而減小；②器件柵氧化層界面態(tài)密度隨著溫度的增加而降低；③漂移區(qū)載流子壽命隨著溫度的增加而增加；④PN結(jié)內(nèi)建電場隨著溫度的增加而減??；⑤雜質(zhì)的激活率隨著溫度的增加而增加。在研究器件柵漏電的測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度超過100℃時(shí)，器件出現(xiàn)了柵極漏電，該漏電會隨著發(fā)射極-集電極偏壓的增加而降低，這預(yù)示著在高溫下，槽柵結(jié)構(gòu)IGBT器件在槽柵底部邊角處可能會存在漏電路徑。器件在不同溫度下的輸出特性曲線及柵極漏電情況如圖4所示。

圖4 器件在不同溫度下的輸出特性曲線及柵極漏電情況[17]

SINGH還比較了400℃下溝道位于不同晶面上的器件的性能，結(jié)果顯示，在（1120）晶面上制備的器件的集電極電流大約比（1100）晶面上制備的器件高兩個(gè)數(shù)量級。對這一現(xiàn)象的解釋是SiC-SiO2表面的碳簇會影響表面質(zhì)量，進(jìn)而造成界面態(tài)密度的增加，導(dǎo)致溝道載流子遷移率的下降，（1120）表面碳原子相比于（1100）面上更少，也許是導(dǎo)致高遷移率的原因。SINGH的工作沒有使用有效的終端技術(shù)，導(dǎo)致阻斷電壓（85 V）遠(yuǎn)低于理論值（約3600 V）。柵氧化層退火工作的缺失也導(dǎo)致溝道載流子遷移率的低下，進(jìn)而導(dǎo)致器件溝道電阻的增加。P發(fā)射極歐姆接觸特性也有待提高，質(zhì)量較低的歐姆接觸導(dǎo)致了較高的正向壓降，但槽柵結(jié)構(gòu)以及（1120）溝槽晶面的選擇為后續(xù)溝槽柵IGBT器件的研究提供了思路。然而溝槽柵IGBT的柵氧化層擊穿等問題導(dǎo)致器件的可靠性較低，隨著高溫離子注入技術(shù)的解決，研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了平面柵IGBT上。

2006年，ZHANG等人[18]第一次制備了平面柵P溝道IGBT。采用JFET區(qū)注入制備的SiC P溝道IGBT如圖5所示，器件元胞大小為29μm，使用高質(zhì)量的N型襯底，外延生長2μm的P型緩沖層，摻雜濃度為1×1017～2×1017cm-3，之后生長50μm摻雜濃度為2×1014～6×1014cm-3的P型外延層。N阱和P型發(fā)射極分別使用氮（N）和鋁（Al）離子注入形成，相鄰N阱之間的JFET區(qū)利用離子注入降低了JFET電阻，注入濃度為1×1016～2×1016cm-3，器件使用離子注入形成的場環(huán)作為終端保護(hù)，離子注入激活溫度約為1700℃。使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）厚度約為1μm的場氧化層，柵介質(zhì)層通過熱氧化形成，厚度為40～60 nm，經(jīng)過濕氧再氧化后，再在一氧化氮（NO）環(huán)境下退火，保證柵氧化層質(zhì)量。器件的N型歐姆接觸使用Al/Ni作為接觸金屬，P型歐姆接觸使用Ni作為接觸金屬，Ti/Au作為背金屬，整個(gè)器件有源區(qū)面積約為4.5 mm2。

圖5 采用JFET區(qū)注入制備的SiC P溝道IGBT[18]

平面柵IGBT阻斷特性曲線如圖6（a）所示，在柵壓為0 V時(shí)，阻斷電壓約為5.8 kV，此時(shí)漏電流密度小于0.02 mA/cm2。柵壓為-30 V時(shí)，25℃下，微分比導(dǎo)通電阻約為570 mΩ·cm2，沒有表現(xiàn)出良好的輸出特性。不同溫度下器件輸出特性曲線如圖6（b）所示，可以看到，當(dāng)溫度為300℃時(shí)，比導(dǎo)通電阻下降為118 mΩ·cm2。比導(dǎo)通電阻隨溫度的增加而減小的主要原因是載流子壽命的增加，測試結(jié)果顯示，室溫下雙極型載流子壽命約為370 ns，導(dǎo)致器件的電導(dǎo)調(diào)制效率很低，導(dǎo)通電阻較大。溫度提高后，漂移區(qū)雙極型載流子壽命增加，使導(dǎo)通電阻大大減小。類似結(jié)構(gòu)的PMOSFET器件載流子遷移率測試結(jié)果顯示，溝道載流子遷移率峰值為2.35 cm2/(V·s)。遷移率低的原因一是通過離子注入形成的P型溝道的低遷移率特性，二是SiO2/SiC表面的固定電荷。該器件的閾值電壓僅為-12 V，滿足了工業(yè)界-20 V以內(nèi)閾值電壓的要求。

圖6 平面柵IGBT阻斷特性曲線與不同溫度下器件輸出特性曲線[18]

ZHANG還對器件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了測試。導(dǎo)通狀態(tài)下，柵壓偏置為-27 V時(shí)，集電極電流為0.75 A，集電極電壓偏置為-400 V，將器件關(guān)斷用時(shí)約為750 ns；當(dāng)溫度上升至130℃時(shí)，器件的雙極型載流子壽命由370 ns上升至約1.1μs，關(guān)斷用時(shí)大大增加。開關(guān)特性測試結(jié)果顯示，器件的開啟時(shí)間要遠(yuǎn)高于關(guān)斷時(shí)間，這是由于器件具有高的密勒電容。ZHANG指出，將JFET區(qū)雙極型載流子壽命提高到2μs以上、溝道遷移率提高到10 cm2/(V·s)以上時(shí)，可以獲得較低的比導(dǎo)通電阻。該工作是對P溝道平面柵IGBT的首次探索，其使用離子注入的方法制作出N阱和P發(fā)射區(qū)，并實(shí)現(xiàn)了平面柵IGBT的制作，同時(shí)利用離子注入降低JFET區(qū)域的電阻，并指出了雙極型載流子壽命對器件輸出特性的重要性，分析了溝道遷移率較低的原因，為之后的平面柵IGBT的制作提供了參考。

2013年，KATAKAMI等人[19]制備了高溝道載流子遷移率的P溝道IGBT，最大載流子遷移率達(dá)到了13.5 cm2/(V·s)。P溝道SiC IGBT器件結(jié)構(gòu)如圖7所示。器件以N型摻雜作為襯底，器件外延層包括一個(gè)76μm厚、摻雜濃度為1.2×1014cm-3的P型漂移層和一個(gè)2.5μm厚、摻雜濃度為1.8×1017cm-3的P型緩沖層，用以阻斷12 kV的電壓。器件漂移區(qū)載流子壽命為0.8～1.6μs，使用2個(gè)注入集成方案的JTE作為終端保護(hù)。器件單元長度、溝道長度和JFET區(qū)長度分別是15μm、1.5μm和3μm。

圖7 P溝道SiC IGBT器件結(jié)構(gòu)[19]

為了探尋最合適的柵氧化層形成方法，KATAKAMI比較了采用不同柵氧化層退火方法的器件的特性。作者制備了3個(gè)MOSFET器件，經(jīng)過1200℃干氧氧化形成柵氧化層，之后在950℃或1100℃下進(jìn)行濕氧二次氧化（樣品1、2），或者在1200℃下進(jìn)行一氧化二氮（N2O）退火（樣品3）。結(jié)果顯示，在相同的柵壓下，采用1100℃濕氧再氧化的方法制成柵氧化層的器件（樣品2）具有最高的溝道遷移率，為14.7 cm2/(V·s)，同時(shí)擁有最大的溝道電流，其在25℃下阻斷電壓大約為10.2 kV，漏電電流密度為1μA/cm2，器件的微分比導(dǎo)通電阻為24 mΩ·cm2。1100℃下進(jìn)行濕氧再氧化退火的器件比在950℃進(jìn)行濕氧再氧化退火的器件導(dǎo)通特性更好。采用N2O對柵氧化層進(jìn)行退火的器件具有較低的載流子遷移率和溝道電流。

KATAKAMI還比較了工作在不同溫度下、通過1100℃濕氧二次氧化柵進(jìn)行退火的器件的一些特性，SiC P溝道MOSFET器件輸出特性曲線如圖8（a）所示，閾值電壓及溝道載流子遷移率與溫度的關(guān)系如圖8（b）所示，隨著溫度的提高，閾值電壓的絕對值發(fā)生輕微的下降，溝道載流子遷移率隨溫度先輕微上升，之后下降。KATAKAMI的工作主要針對器件的溝道遷移率，作者分析了不同的柵氧化層形成方法，且分析了器件閾值電壓和溝道載流子遷移率隨溫度變化的關(guān)系，為后續(xù)溝道遷移率的提升提供了有效渠道。

圖8 SiC P溝道MOSFET器件輸出特性曲線和閾值電壓及溝道載流子遷移率與溫度的關(guān)系[19]

2019年，WEN等人[15]制作出10 kV P溝道IGBT，該器件使用六角形元胞設(shè)計(jì)和SSM-JTE終端結(jié)構(gòu)，10 kV P溝道IGBT器件結(jié)構(gòu)如圖9（a）所示，SSM-JTE結(jié)構(gòu)如圖9（b）所示。由于平面型器件制作工藝較為簡單且可以保證較高的柵氧化層可靠性，因此該器件使用平面柵結(jié)構(gòu)。整個(gè)器件的外延生長都是在一個(gè)晶軸偏4°角、350μm厚的4英寸4H-SiC襯底片上。首先生長一層2μm厚、摻雜濃度為2×1017cm-3的P型緩沖層，之后繼續(xù)生長100μm厚、摻雜濃度為2×1014cm-3的P型漂移區(qū)。漂移區(qū)的載流子少子壽命為1.2μs。為保證柵氧化層的可靠性，同時(shí)盡可能地提升器件的通態(tài)特性，在條形元胞中JFET區(qū)域的寬度設(shè)計(jì)為10μm，六角形元胞中JFET區(qū)域的寬度設(shè)計(jì)為8μm。這樣可以保證在阻斷電壓為10 kV的情況下，兩種元胞的柵氧化層電場強(qiáng)度均小于4.5 MV/cm?？紤]到器件制作過程中摻雜的激活率問題，器件的SSM-JTE的寬度設(shè)計(jì)為530μm，這樣可以保證足夠?qū)挼墓に嚧翱凇Ｍ瑫r(shí)，為降低器件開啟時(shí)的電阻，該器件使用自對準(zhǔn)技術(shù)制作溝道，所制作出來的器件有源區(qū)為2.25 mm2，整個(gè)器件為3 mm×3 mm。

圖9 10 kV P溝道IGBT與SSM-JTE結(jié)構(gòu)[15]

使用不同終端結(jié)構(gòu)的六角形元胞器件阻斷特性曲線如圖10所示，在阻斷電壓為-10 kV的情況下，寬度為200μm的雙JTE結(jié)構(gòu)和寬度為500μm的雙JTE結(jié)構(gòu)漏電流分別為970 nA和590 nA，而SSM-JTE結(jié)構(gòu)的漏電流僅為50 nA，原因?yàn)镾SM-JTE結(jié)構(gòu)內(nèi)部的環(huán)可以消除電場擁擠現(xiàn)象，從而降低漏電流。

圖10 使用不同終端結(jié)構(gòu)的六角形元胞器件阻斷特性曲線[15]

使用條形元胞設(shè)計(jì)和六角形元胞設(shè)計(jì)的器件輸出特性曲線如圖11所示。可以看出，與仿真數(shù)據(jù)相比，實(shí)際制作出來的器件導(dǎo)通電阻偏大，其主要原因?yàn)橐韵?點(diǎn)：（1）在界面處，表面復(fù)合降低了雙極型載流子的壽命；（2）源區(qū)的歐姆接觸電阻較高，因而產(chǎn)生了較高的壓降；（3）緩沖層和發(fā)射層所形成的PN結(jié)注入效率較低。根據(jù)輸出曲線可知，條形元胞和六角形元胞設(shè)計(jì)的器件，在300 W/cm2的條件下，輸出電流分別為34.2 A/cm2和38.9 A/cm2。六角形元胞設(shè)計(jì)的器件性能優(yōu)于條形設(shè)計(jì)，其原因?yàn)榱切谓Y(jié)構(gòu)的寬長比為4.1×105，而條形結(jié)構(gòu)的寬長比為2.9×105。該工作比較了條形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與六角形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輸出特性，為以后的器件元胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考；同時(shí)，在終端中使用的SSM-JTE結(jié)構(gòu)也在阻斷狀態(tài)下大幅降低了器件的漏電流，這表明與雙JTE結(jié)構(gòu)相比，SSM-JTE更適用于高壓器件之中。

圖11 條形元胞與六角形元胞設(shè)計(jì)的IGBT輸出特性曲線[15]

自2002年SINGH等人制作出第一個(gè)P溝道SiC槽柵IGBT以來，科研人員對于P溝道SiC IGBT的研究已走過二十個(gè)年頭，器件結(jié)構(gòu)的研究重點(diǎn)也由溝槽柵逐漸轉(zhuǎn)換為平面柵，這是工藝的逐步成熟與器件性能需要的共同選擇（高溫離子注入技術(shù)問題得到了解決，同時(shí)平面柵結(jié)構(gòu)的柵氧化層可靠性更高），針對平面柵IGBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，科研人員做出了以下優(yōu)化：引入自對準(zhǔn)源區(qū)注入方法，在器件中實(shí)現(xiàn)了窄溝道，使器件表現(xiàn)出較好的導(dǎo)通特性和高溫穩(wěn)定性；針對平面柵SiC IGBT中難以產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制的JFET區(qū)域，采用CSL結(jié)構(gòu)代替JFET區(qū)的離子注入，在降低JFET電阻的同時(shí)避免了離子注入的不利影響，還通過抑制NPN晶體管提高了P+發(fā)射極的注入效率。其他一些因素對器件特性的影響同樣重要，如少數(shù)載流子的壽命、溝道遷移率、器件元胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與終端設(shè)計(jì)等，作者認(rèn)為，相關(guān)的研究對以后的器件制備將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在對P溝道SiC IGBT進(jìn)行探索的過程中，科研人員還發(fā)現(xiàn)相比于N溝道SiC IGBT，P溝道SiC IGBT擁有更好的阻斷特性，且在高溫下導(dǎo)通特性更好。相信未來P溝道SiC IGBT將在相應(yīng)的領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

3.2 N溝道SiC IGBT的研究、制備

由于N溝道IGBT需要高質(zhì)量的P型襯底，P型襯底這些年來一直發(fā)展較慢，在一定程度上延緩了SiC N溝道IGBT器件的發(fā)展。然而，由于電子相對空穴具有較高的遷移率，能夠帶來更低的導(dǎo)通壓降，同時(shí)N溝道IGBT具有與現(xiàn)有電力電子系統(tǒng)兼容的特性，因此N溝道IGBT器件的研究具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。

2008年，DAS等人[20]制備了第一個(gè)13 kV N溝道IGBT，其結(jié)構(gòu)如圖12所示，器件在使用高質(zhì)量p型襯底的基礎(chǔ)上制備，JFET區(qū)進(jìn)行N注入實(shí)現(xiàn)更高的摻雜，離子注入退火溫度為1600℃以上，使用Si壓抑制表面重構(gòu)和Si原子蒸發(fā)，場氧厚度為0.8μm，柵氧化層厚度為50 nm，使用熱氧化的方式生長，在NO環(huán)境下退火。經(jīng)測試顯示，該器件的開啟電壓大約為3 V，微分比導(dǎo)通電阻約為22 mΩ·cm2，器件阻斷電壓達(dá)到了13 kV，不同溫度下器件的輸出特性如圖13（a）所示，隨著溫度的上升，器件的導(dǎo)通特性下降，跨導(dǎo)降低。器件的開啟電壓隨溫度的上升而略微增加，不同溫度下器件的阻斷特性如圖13（b）所示，阻斷電壓隨溫度的上升而略有下降，但在200℃的溫度下依然能夠阻斷超過10 kV的電壓。該器件表現(xiàn)出了良好的導(dǎo)通特性，但動(dòng)態(tài)特性稍有不足，電壓上升的時(shí)延較長，這表明該器件柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問題，需進(jìn)一步完善相關(guān)結(jié)構(gòu)。

圖12 13 kV N溝道SiC IGBT結(jié)構(gòu)[20]

圖13 不同溫度下13 kV N溝道SiC IGBT的輸出特性和阻斷特性[20]

2014年，YONEZAW等人[12]制備了翻轉(zhuǎn)型注入外延N溝道SiC IGBT，其基本結(jié)構(gòu)如圖14所示。器件使用N型襯底，在（0001）面上依次生長N型緩沖層，150μm厚的N型漂移區(qū)，N+緩沖層，P+集電極區(qū)；翻轉(zhuǎn)器件后去除N型襯底和N型緩沖層，并生長N型CSL層。離子注入形成P阱底部后進(jìn)行P型外延生長，注入形成N型JFET區(qū)、P+基區(qū)以及N+源區(qū)。器件的終端由兩個(gè)box的JTE形成，總長度為750μm。柵氧化層經(jīng)過干氧氧化后在富N環(huán)境下退火形成。器件元胞大小為14.8μm，器件尺寸為8 mm×8 mm，器件有源區(qū)面積大小為0.37 cm2。測試結(jié)果顯示，在柵壓為0 V時(shí)，器件達(dá)到了16 kV的阻斷電壓，導(dǎo)通電流分別為20 A和60 A時(shí)，正向壓降分別為4.8 V和7.2 V，微分比導(dǎo)通電阻為23 mΩ·cm2，器件開啟電壓約為4.8 V。在可靠性方面，器件的閾值電壓穩(wěn)定性如圖15（a）所示，器件在柵壓分別為-30 V和30 V兩種情況下，經(jīng)過1000 s的老化測試，閾值電壓依然保持穩(wěn)定，最大閾值電壓偏移在0.1 V以內(nèi)。不同溫度下器件的輸出特性如圖15（b）所示，結(jié)果顯示器件的輸出特性具有良好的溫度穩(wěn)定性。

圖14 翻轉(zhuǎn)型注入外延N溝道SiC IGBT基本結(jié)構(gòu)[12]

圖15 翻轉(zhuǎn)型注入外延N溝道SiC IGBT閾值電壓穩(wěn)定性與不同溫度下器件的輸出特性[12]

YONEZAW很好地制備出16 kV N溝道IGBT，但其方法十分復(fù)雜，所需外延及離子注入工序極多，有很大的制備難度。目前有關(guān)N-IGBT成功制備的報(bào)道并不是很多，主要是因?yàn)楦哔|(zhì)量的P+襯底難以獲得，而采用翻轉(zhuǎn)外延生長的方式又會因?yàn)榫孢x擇和外延層質(zhì)量等因素存在影響器件性能的問題。

2022年，楊曉磊等人制備出了一種耐壓超過20 kV的超高壓SiC N溝道IGBT[16]，其基本結(jié)構(gòu)和制備方案分別如圖16、17所示。該團(tuán)隊(duì)通過在N型4H-SiC襯底上生長所需的關(guān)鍵外延層，包括N-漂移層、N+緩沖層以及P+集電極層，采用SiO2作為各區(qū)域的注入掩模，使用多次離子注入形成P阱、P+區(qū)域和N+區(qū)域；同時(shí)對JFET區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)的N型離子注入，所有注入完成后在1650℃的Ar環(huán)境下退火以激活注入離子。退火后，通過犧牲氧化去除表面碳層，濕法表面清洗后放入高溫氧化爐中進(jìn)行干氧氧化，形成柵氧化層。采用NO高溫退火技術(shù)，有效降低柵氧界面陷阱密度，最終將氧化層厚度控制在50 nm左右。在柵氧工藝完成后，通過在柵氧化層上沉積多晶Si實(shí)現(xiàn)柵電極的制作。采用氧化硅/氮化硅（SiO2/SiN）介質(zhì)實(shí)現(xiàn)柵極和發(fā)射極的隔離以及表面鈍化。發(fā)射極的歐姆接觸由金屬Ni實(shí)現(xiàn)，介質(zhì)孔刻蝕后通過加厚Al層完成發(fā)射極單胞之間的互聯(lián)。器件正面結(jié)構(gòu)完成后通過減薄/背面研磨的方法去除N型襯底，保留部分P+層，接著蒸發(fā)背面歐姆金屬，并使用激光退火完成背面的歐姆接觸。

圖16 超高壓SiC N溝道IGBT器件元胞的基本結(jié)構(gòu)[16]

超高壓SiC N溝道IGBT阻斷特性如圖18（a）所示，該器件擊穿電壓可以達(dá)到20 kV，當(dāng)集電極電壓為20.08 kV時(shí)，漏電流為50μA。超高壓SiC N溝道IGBT輸出特性如圖18（b）所示，該器件在柵壓為20 V、集電極電流為20 A時(shí)，其微分比導(dǎo)通電阻為27 mΩ·cm2。

圖18 超高壓SiC N溝道IGBT的阻斷特性和輸出特性[16]

該團(tuán)隊(duì)還使用了長時(shí)間的高溫氧化工藝對器件進(jìn)行少子壽命的提升，通過高溫?zé)嵫趸^程，使得部分碳原子擴(kuò)散到體區(qū)并填補(bǔ)碳空位，消除Z1/2缺陷中心。高溫?zé)嵫趸幚砬昂蟪邏篠iC N溝道IGBT的輸出特性如圖19所示，芯片A引入了載流子壽命提升工藝，芯片B未引入載流子壽命提升工藝。觀察發(fā)現(xiàn)，芯片B在柵極電壓為20 V、集電極電流密度為70 A/cm2的條件下，器件導(dǎo)通壓降為16.2 V，引入載流子壽命提升工藝后，芯片B在同等測試條件下，其導(dǎo)通壓降降至6.5 V，這一結(jié)果也恰好驗(yàn)證了載流子壽命的提升能有效提高SiC N溝道IGBT器件的導(dǎo)通能力。

圖17 超高壓SiC N溝道IGBT制備方案[16]

圖19 高溫?zé)嵫趸幚砬昂蟪邏篠iC N溝道IGBT的輸出特性[16]

該超高壓SiC N溝道IGBT器件在制備過程中通過引入高溫?zé)嵫趸妮d流子壽命提升技術(shù)，有效提高了其電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。且該器件在柵壓為20 V、集電極電流為20 A時(shí)，其微分比導(dǎo)通電阻為27 mΩ·cm2，進(jìn)一步縮小了與國際先進(jìn)器件之間的差距。

2022年，WATANABE等人[21]對SiC IGBT引入了盒式元胞布局，該布局在傳統(tǒng)的條形元胞布局的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，增強(qiáng)了器件的電導(dǎo)調(diào)制，降低了器件的通態(tài)損耗，小幅增加了器件的關(guān)斷損耗，N溝道IGBT器件結(jié)構(gòu)如圖20所示，條形元胞布局與盒式元胞布局如圖21所示。該器件基于N型的SiC襯底，生長95μm厚的N型漂移層，用來承受10 kV的阻斷電壓，再生長一層N型的緩沖層，由于沒有可用的P型襯底，之后需要在緩沖層的下面外延生長一層高摻的P型層作為器件的空穴注入層。接著將器件的N型襯底去除，在器件漂移區(qū)的頂部制作表面結(jié)構(gòu)。

圖20 N溝道IGBT器件結(jié)構(gòu)[21]

圖21 條形元胞布局與盒式元胞布局[21]

接著，WATANABE討論了器件的靜態(tài)特性，盒式元胞布局的IGBT器件相比條形元胞布局在同樣的面積下具有更大的溝道寬度，這會增強(qiáng)器件源區(qū)的電子注入。另外，盒式元胞布局的IGBT器件的頂部P+區(qū)域面積更小，這將抑制發(fā)射極的空穴泄漏，同時(shí)可以增強(qiáng)器件的電導(dǎo)調(diào)制。條形元胞布局和盒式元胞布局的IGBT器件的輸出特性對比如圖22所示，對于200 A/cm2的電流密度，盒式元胞布局的IGBT器件和條形元胞布局的IGBT器件導(dǎo)通電壓分別為6.5 V和7.4 V，盒式元胞布局使導(dǎo)通電壓得到了降低。另外，盒式元胞布局的IGBT器件的特征微分比導(dǎo)通電阻為13 mΩ·cm2，該值比條形元胞布局的IGBT器件低了35%。

圖22 條形元胞布局和盒式元胞布局的IGBT器件的輸出特性對比[21]

隨后，WATANABE分析了器件的動(dòng)態(tài)特性，盒式元胞布局的IGBT器件的關(guān)斷速度會比同樣條件下的條形元胞布局的IGBT器件略慢，并且關(guān)斷損耗會有輕微的增加。3.6 kV和125 A/cm2的轉(zhuǎn)換條件下兩種元胞布局的IGBT器件結(jié)構(gòu)對應(yīng)的關(guān)斷曲線如圖23（a）所示，相比條形元胞布局的IGBT器件，盒式元胞布局的IGBT器件關(guān)斷速度從13.8 kV/μs降低到了12.5 kV/μs，關(guān)斷損耗從53.1 mJ/cm2增加到了55.9 mJ/cm2。不同集電極電流下兩種元胞布局的IGBT器件結(jié)構(gòu)對應(yīng)的關(guān)斷損耗如圖23（b）所示，即使在電流為300 A/cm2的轉(zhuǎn)換條件下，盒式元胞布局的IGBT器件相比條形元胞布局的IGBT器件關(guān)斷損耗也只增加了7%。盒式元胞布局提高了IGBT器件靠近發(fā)射極的漂移區(qū)載流子濃度，這部分載流子的抽取造成了器件的關(guān)斷速度降低和關(guān)斷損耗增加。

圖23 兩種元胞布局的IGBT器件的關(guān)斷曲線與關(guān)斷損耗[21]

最后，WATANABE討論了盒式元胞布局對IGBT器件閂鎖效應(yīng)的影響。相比于傳統(tǒng)的條形元胞布局，盒式元胞布局的IGBT器件P型體區(qū)和發(fā)射極電極的接觸面積更小，從而具有更大的接觸電阻，使得IGBT器件更加不易發(fā)生閂鎖。300 A/cm2的狀態(tài)下盒式元胞布局的IGBT器件結(jié)構(gòu)對應(yīng)的關(guān)斷曲線如圖24所示，器件在300 A/cm2的狀態(tài)下也沒有發(fā)生閂鎖效應(yīng)。

圖24 300 A/cm2的狀態(tài)下盒式元胞布局的IGBT器件的關(guān)斷曲線[21]

盒式元胞結(jié)構(gòu)與六角形元胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路相同，相比于條形元胞分布，盒式元胞分布的溝道寬度更大，且該布局更易產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，因此盒式元胞布局的導(dǎo)通特性更好，該布局提升了器件靠近發(fā)射極的漂移區(qū)載流子濃度，故關(guān)斷時(shí)間更長，盒式元胞布局因其具有發(fā)射極更大的接觸電阻，同樣可以提升抗閂鎖能力。

相比于P溝道SiC IGBT，N溝道SiC IGBT發(fā)展較晚，這是由于SiC有低電阻率以及低缺陷密度的N型襯底而缺少高質(zhì)量的P型襯底，在這些高電阻率和缺陷密度的P型SiC襯底上直接生長出來的N型SiC IGBT質(zhì)量很差。但是因?yàn)镾iC材料電子的遷移率比空穴的遷移率高，理論上來說，N溝道SiC IGBT將比P溝道SiC IGBT具有更好的導(dǎo)通特性，所以科研工作者一直致力于高質(zhì)量N溝道SiC IGBT的研發(fā)。由于對N溝道SiC IGBT的研究較晚，P溝道SiC IGBT中已摸索的工藝如反向外延生長和自對準(zhǔn)技術(shù)可直接使用到N溝道SiC IGBT中。但是對于N溝道SiC IGBT的動(dòng)態(tài)特性仍需要進(jìn)一步研究，無論是柵極與柵極驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還是關(guān)斷時(shí)電場的平緩度，都是未來器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用中需重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

4 結(jié)束語

本文從P溝道SiC IGBT和N溝道SiC IGBT發(fā)展歷史中的經(jīng)典器件入手，介紹了各種SiC IGBT器件的制作過程與相關(guān)性能，并就SiC IGBT的工藝優(yōu)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了報(bào)道，對比了P溝道SiC IGBT和N溝道SiC IGBT的優(yōu)缺點(diǎn)。P溝道SiC IGBT在阻斷能力與高溫下的導(dǎo)通能力具有明顯優(yōu)勢，而N溝道SiC IGBT在常溫下的導(dǎo)通能力更具優(yōu)勢。SiC IGBT的結(jié)構(gòu)由溝槽型逐步變?yōu)槠矫嫘?，這與相關(guān)工藝的進(jìn)步與平面型器件與生俱來的優(yōu)勢有關(guān)。平面型器件的JFET區(qū)電阻較高，因此CSL應(yīng)運(yùn)而生，其在降低JFET電阻的同時(shí)避免了離子注入的不利影響。除了傳統(tǒng)的元胞結(jié)構(gòu)外，六角形元胞結(jié)構(gòu)與盒式元胞結(jié)構(gòu)因其更高的寬長比更易獲得更好的導(dǎo)通能力。對于SiC IGBT，終端結(jié)構(gòu)同樣重要，優(yōu)秀的終端結(jié)構(gòu)可以減緩電場的擁擠效應(yīng)，進(jìn)一步降低漏電流。

過去，對SiC IGBT的研究主要集中在美國和日本，國內(nèi)起步較晚，但是在高壓大功率輸電、軌道交通等領(lǐng)域的大量應(yīng)用驅(qū)動(dòng)以及國家能源轉(zhuǎn)型和碳達(dá)峰等政策的指導(dǎo)下，近幾年中國的SiC IGBT研制取得了較好的成果和進(jìn)展。目前SiC IGBT的相關(guān)工作還是以器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真為主，解決器件制造的相關(guān)問題，制備出性能優(yōu)異的SiC IGBT器件將是未來該領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，業(yè)界針對器件集電區(qū)和發(fā)射極的結(jié)構(gòu)改進(jìn)已經(jīng)做了很多工作，但超結(jié)SiC IGBT的設(shè)計(jì)相對較少，還有很大的研發(fā)空間；另外將Si IGBT的結(jié)構(gòu)借鑒到SiC IGBT也是SiC IGBT研發(fā)的重要思路，但是在借鑒的過程中要重點(diǎn)注意Si材料和SiC材料特性的差別，這對異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)等結(jié)構(gòu)與SiC IGBT的結(jié)合會產(chǎn)生重大影響。除此之外，能否引入新的物理機(jī)制以優(yōu)化SiC IGBT器件的性能也是值得進(jìn)一步深入研究的課題。在實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型、推進(jìn)碳達(dá)峰與碳中和以及建立新型電力系統(tǒng)的重要應(yīng)用背景下，SiC IGBT器件的研究前景十分光明，其研制與應(yīng)用一定會為社會和人類帶來更加節(jié)能與清潔的美麗世界。