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新型IGBT诞生,made in China

2020-01-03
来源:21ic中国电子网
关键词: IGBT 二氧化硅 SiC

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。


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