SIC將會(huì)發(fā)力智能車

01

碳化硅

碳化硅在功率半導(dǎo)體市場(chǎng)（尤其是電動(dòng)汽車）中越來(lái)越受歡迎，但對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)仍然過(guò)于昂貴。

原因很容易理解，但直到最近，碳化硅在很大程度上還是一種不夠成熟技術(shù)，不值得投資。現(xiàn)在，隨著對(duì)可在高壓應(yīng)用中工作的芯片的需求不斷增長(zhǎng)，SiC 受到了越來(lái)越多的關(guān)注。與硅功率器件的其他潛在替代品不同，SiC 具有熟悉的優(yōu)勢(shì)。

SiC 最初用于晶體收音機(jī)中的檢測(cè)器二極管，是最早具有商業(yè)價(jià)值的半導(dǎo)體之一。商用 SiC JFET 自 2008 年起就已上市，在極端環(huán)境的電子產(chǎn)品中特別有用。SiC MOSFET 于 2011 年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。該材料具有 3.26 eV 的中等帶隙，擊穿電壓是硅的 10 倍。

不幸的是，SiC 的制造也非常困難。日立能源全球產(chǎn)品管理副總裁托比亞斯·凱勒 (Tobias Keller) 解釋說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)的直拉法 (CZ) 增長(zhǎng)方法并不可行。CZ 生長(zhǎng)在二氧化硅坩堝中將硅在約 1500°C 的溫度下熔化，但碳化硅的熔點(diǎn)高于 2700°C。

SiC 晶體通常通過(guò)Lely 方法生長(zhǎng)。SiC 粉末在氬氣氣氛中加熱到 2500°C 以上，并升華到晶種上。該過(guò)程給出了足夠的結(jié)果，但容易出現(xiàn)缺陷且難以控制。對(duì)傳入的 SiC 晶圓進(jìn)行檢查的工程師通常會(huì)發(fā)現(xiàn)由于堆疊錯(cuò)誤和其他缺陷而導(dǎo)致的大量“死區(qū)”。

SiC 器件構(gòu)建在針對(duì)預(yù)期工作電壓進(jìn)行優(yōu)化的定制外延器件層上，較厚的外延層可以承受更高的電壓，但它們也往往有更多的缺陷。在過(guò)去兩年中，晶圓質(zhì)量的提高和死區(qū)的早期識(shí)別使整體良率提高了 30%。

02

用于更高遷移率

SiC MOSFET 的更好電介質(zhì)進(jìn)一步受到柵極氧化物/碳化物界面質(zhì)量普遍較差的限制。在 IEEE 電子器件會(huì)議 (IEDM) 上展示的工作中，日本京都大學(xué)和大阪大學(xué)的研究員 T. Kimoto 及其同事解釋說(shuō)，界面處的碳-碳缺陷似乎是由 SiC 的直接氧化造成的。這些缺陷位于 SiC 導(dǎo)帶邊緣附近，它們會(huì)增加溝道電阻并導(dǎo)致成品器件的閾值電壓漂移。

作為 SiC 氧化的替代方案，Kimoto 的研究小組首先用氫等離子體蝕刻表面，然后通過(guò) CVD 沉積 SiO2，然后對(duì)界面進(jìn)行氮化。該工藝降低了陷阱密度，并使反型層電子遷移率在 10V 柵極偏壓下增加了一倍以上，達(dá)到 80 cm2/V-sec。

一種未命名的高 k 介電化合物也可以與 SiC 形成低缺陷界面，而無(wú)需 SiO2所需的鈍化步驟。與硅器件一樣，SiC MOSFET 使用高 k 柵極電介質(zhì)也會(huì)增加給定電容下的物理厚度，從而減少柵極漏電流。

SiC 載流子的較差遷移率給器件設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了另一個(gè)挑戰(zhàn)。即使經(jīng)過(guò)幾十年的努力，通過(guò)優(yōu)化柵極電介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的最佳遷移率仍然比硅低10倍。因此，溝道電阻相應(yīng)地比硅高10倍。

在功率器件中，低遷移率限制了性能和耐用性。器件電阻和開(kāi)關(guān)損耗直接影響電動(dòng)汽車的續(xù)航里程等參數(shù)。雖然注入摻雜劑和結(jié)構(gòu)修改可以降低溝道電阻，但這樣做可能通過(guò)增加電流密度來(lái)減少短路耐受時(shí)間。

短路耐受時(shí)間是功率器件的重要安全參數(shù)。如果設(shè)備因任何原因發(fā)生短路，它需要存活足夠長(zhǎng)的時(shí)間才能使保護(hù)電路做出響應(yīng)。故障不僅會(huì)導(dǎo)致電力負(fù)載永久性損壞，還會(huì)導(dǎo)致用戶受傷、火災(zāi)和財(cái)產(chǎn)損失。確切的要求取決于保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，但通常為 5 至 10 微秒。隨著電流密度的增加，短路條件下的溫度也會(huì)增加，并且耐受時(shí)間會(huì)減少。

SiC MOSFET 的商業(yè)采用進(jìn)展緩慢，部分原因是這些器件的耐受時(shí)間往往比類似額定硅器件短。因此，設(shè)計(jì)人員希望改變溝道電阻和電流密度之間的關(guān)系。是否可以在不將電流密度增加到危險(xiǎn)水平的情況下降低電阻。

一種可能的解決方案是減少柵極偏壓，同時(shí)減少氧化物厚度。更薄的氧化物可以改善溝道的控制（如硅 MOSFET 一樣），從而允許較低的電壓運(yùn)行。該解決方案幾乎不需要對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行任何改變。雖然對(duì)具有薄電介質(zhì)的 SiC 器件的研究很少，但硅器件使用薄至 5 nm 的氧化物，而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度的隧道效應(yīng)。此外，如上所述，使用高k電介質(zhì)可以提供更好的溝道控制，同時(shí)保持物理厚度。

紐約州立大學(xué)理工學(xué)院的 Dongyoung Kim 和 Woongje Sung 提出了第二種替代方案，旨在通過(guò)增加有效溝道厚度來(lái)降低電流密度。他們使用 4° 傾斜角注入深 P 阱，利用沿 <0001> SiC 晶格方向的離子溝道。這種方法只需要對(duì)制造工藝進(jìn)行微小的改變，因?yàn)樯罹⑷胧褂门c傳統(tǒng)井相同的掩模。由此產(chǎn)生的器件將最大漏極電流降低了約 2.7 倍，并將耐受時(shí)間延長(zhǎng)了四倍。

為了解決類似的問(wèn)題，硅行業(yè)轉(zhuǎn)向了現(xiàn)在無(wú)處不在的 finFET。增加恒定電流下的溝道面積會(huì)降低電流密度。普渡大學(xué)的研究人員展示了一種具有多晶硅柵極和多個(gè)亞微米鰭片的 SiC 三柵極 MOSFET，實(shí)現(xiàn)了特定溝道電阻降低 3.6 倍。

雖然尚不清楚功率器件行業(yè)將多快采用像 finFET 這樣激進(jìn)的架構(gòu)，但 SiC 的高擊穿電壓是一個(gè)引人注目的優(yōu)勢(shì)。希望實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)勢(shì)的制造商需要找到解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)低遷移率和高電流密度帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

審核編輯：劉清