碳化硅的挑戰(zhàn)與機遇

在功率半導體市場上，碳化硅（SiC）正逐步獲得重視，特別是在電動汽車領域，它越來越受歡迎，但由于成本過高，許多應用場景仍然乏力涉足。

我們對碳化硅的優(yōu)點已經(jīng)十分熟悉，但直到最近，由于它仍是一種較為特定的技術，沒有受到足夠的投資。隨著對能適應高電壓應用的芯片需求的逐漸增長，碳化硅得到了更多深入的關注。與其他可能的硅功率器件替代品相比，碳化硅享有熟悉性的優(yōu)勢。

碳化硅是最早被商業(yè)化的半導體之一，最早被應用于晶體收音機的檢測二極管。自2008年以來，商業(yè)碳化硅結(jié)型場效應晶體管(JFETs)已經(jīng)上市并在電子設備中得到廣泛應用，特別是在極端環(huán)境下。2011年，碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFETs)也開始商業(yè)化。這種材料提供了中等的帶隙，其擊穿電壓是硅的10倍。

然而，碳化硅頗難制造。日立能源全球產(chǎn)品管理副總裁Tobias Keller解釋，標準的Czochralski （CZ）生長方法是不可行的。CZ生長法在1500°C左右將硅融化在硅耳坩堝內(nèi)，但碳化硅的熔點超過2700°C。

一般來說，碳化硅晶體通過Lely方法生長。在氬氣環(huán)境中，將碳化硅粉末加熱到2500°C以上，在種晶上進行升華。這種方法生產(chǎn)的結(jié)果是可行的，但是層疊錯位和其他缺陷導致它缺陷重重且難以控制。工程師在檢查來料的碳化硅的晶圓時，顯而易見，由于堆疊錯位和其他缺陷，找出很多“死區(qū)”。碳化硅器件是在定制的外延器件層上進行優(yōu)化以適應預期的工作電壓的。較厚的表皮層可以承受更高的電壓，但也會有更多的缺陷。

碳化硅MOSFETs還受到氧化物/碳化物表面通常質(zhì)量較差的限制。來自日本京都和大阪大學的研究員T. Kimoto及其同事在去年12月份的IEEE電子器件會議（IEDM）上提出，表面產(chǎn)生碳-碳缺陷是由于碳化硅的直接氧化造成的。這些缺陷位置靠近碳化硅的導帶邊緣，它們增加了導通通道電阻，導致設備中閾值電壓的漂移。

作為避免碳化硅氧化的方法，Kimoto的團隊首先用氫等離子體蝕刻了表面，然后通過化學氣相沉積法（CVD）沉積二氧化硅，并對接面進行氮化。這個過程降低了缺陷密度，并將電子遷移率提高了一倍以上，在10V的柵偏壓下達到80 cm2/V-sec。

日立能源（前ABB半導體）的Stephan Wirths和他的同事演示了一個未命名的高介電常數(shù)化合物，它能與碳化硅形成低缺陷表面, 不需要SiO2必需的鈍化步驟。正如在硅器件中一樣，對碳化硅金屬氧化物半導體場效應管使用高介電常數(shù)介質(zhì)也會增加在給定電容下的物理厚度，從而減少漏電流。

碳化硅的載流子遷移率較低，這給設備設計師帶來了一個新的挑戰(zhàn)。即使經(jīng)過幾十年的優(yōu)化，通過改進介質(zhì)的載流子遷移率表現(xiàn)最好的碳化硅產(chǎn)品遷移率仍然比硅少10倍。因此，相關通道電阻較硅高出10倍。

對于功率器件，低遷移率限制了其性能和耐久性。器件的電阻和開關損失直接影響電動汽車的續(xù)航等參數(shù)。盡管植入型摻雜劑和器件結(jié)構(gòu)的改進可以降低通道電阻，但如Sonrisa Research的總裁James Cooper所指出，這同時也導致了電流密度增加并降低短路耐受時間。

短路耐受時間是衡量功率器件安全性的重要參數(shù)。如果設備因故發(fā)生短路，那么它需要擁有足夠的壽命以保證保護電路反應。失敗可能會對電負載產(chǎn)生永久性損壞，甚至可能導致用戶受傷、火災和財產(chǎn)損失。對于具體要求，依賴于保護電路的設計，但通常時間在5到10微秒之間。隨著電流密度的增加，短路狀態(tài)下的溫度也會隨之升高，而耐久時間則會減少。

相比于同等評級的硅器件，碳化硅MOSFET的市場接受度較低，這部分原因是這些設備往往具有較短的耐受時間。因此，設計者們期望改變通道電阻和電流密度之間的關系。我們是否有辦法降低電阻，而不將電流密度提高到危險的水平呢？

可能的解決方案是降低電極偏壓并減小氧化物厚度。Cooper解釋道，薄氧化物提高了對通道的控制——要知道在硅MOSFET中就運行在低電壓下。這種解決方案需要對制造過程進行微調(diào)。雖然關于薄介質(zhì)碳化硅器件的研究較少，但硅器件使用的氧化物厚度薄達到5nm，且沒有引發(fā)過多的隧道效應。如上所述，使用高介電常數(shù)適宜可以在保持物理厚度的同時提供更好的通道控制。

SUNY理工學院的Dongyoung Kim和Woongje Sung提出了另一種解決方案，他們嘗試通過增加有效通道寬度來降低電流密度。他們沿 SiC晶格方向使用離子引導，以4°的傾斜角植入深P井。這種方法只需要微小的改動即可應用于制造過程中，因為深井摻雜和常規(guī)井使用的掩蔽材料相同。最終所得的器件可以減小最大漏電流約2.7倍，同時將耐受時間提高了4倍。

針對類似的問題，硅工業(yè)則轉(zhuǎn)向了如今無所不在的FinFET。通過在特定電流下增加通道面積，可以降低電流密度。普渡大學的研究人員展示了一個具有多個亞微米fin的碳化硅三柵金屬氧化物半導體場效應管，并實現(xiàn)了對特定通道電阻的3.6倍降低。

雖然目前還不清楚功率設備行業(yè)會以多快的速度采納像FinFET這樣的顛覆性架構(gòu)，但碳化硅的高擊穿電壓無疑是一大吸引力。希望實現(xiàn)這一優(yōu)勢的制造商需要找到解決低遷移率和高電流密度問題的辦法。