碳化硅的挑战与机遇

在功率半导体市场上，碳化硅（SiC）正逐步获得重视，特别是在电动汽车领域，它越来越受欢迎，但由于成本过高，许多应用场景仍然乏力涉足。

我们对碳化硅的优点已经十分熟悉，但直到最近，由于它仍是一种较为特定的技术，没有受到足够的投资。随着对能适应高电压应用的芯片需求的逐渐增长，碳化硅得到了更多深入的关注。与其他可能的硅功率器件替代品相比，碳化硅享有熟悉性的优势。

碳化硅是最早被商业化的半导体之一，最早被应用于晶体收音机的检测二极管。自2008年以来，商业碳化硅结型场效应晶体管(JFETs)已经上市并在电子设备中得到广泛应用，特别是在极端环境下。2011年，碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)也开始商业化。这种材料提供了中等的带隙，其击穿电压是硅的10倍。

然而，碳化硅颇难制造。日立能源全球产品管理副总裁Tobias Keller解释，标准的Czochralski （CZ）生长方法是不可行的。CZ生长法在1500°C左右将硅融化在硅耳坩埚内，但碳化硅的熔点超过2700°C。

一般来说，碳化硅晶体通过Lely方法生长。在氩气环境中，将碳化硅粉末加热到2500°C以上，在种晶上进行升华。这种方法生产的结果是可行的，但是层叠错位和其他缺陷导致它缺陷重重且难以控制。工程师在检查来料的碳化硅的晶圆时，显而易见，由于堆叠错位和其他缺陷，找出很多“死区”。碳化硅器件是在定制的外延器件层上进行优化以适应预期的工作电压的。较厚的表皮层可以承受更高的电压，但也会有更多的缺陷。

碳化硅MOSFETs还受到氧化物/碳化物表面通常质量较差的限制。来自日本京都和大阪大学的研究员T. Kimoto及其同事在去年12月份的IEEE电子器件会议（IEDM）上提出，表面产生碳-碳缺陷是由于碳化硅的直接氧化造成的。这些缺陷位置靠近碳化硅的导带边缘，它们增加了导通通道电阻，导致设备中阈值电压的漂移。

作为避免碳化硅氧化的方法，Kimoto的团队首先用氢等离子体蚀刻了表面，然后通过化学气相沉积法（CVD）沉积二氧化硅，并对接面进行氮化。这个过程降低了缺陷密度，并将电子迁移率提高了一倍以上，在10V的栅偏压下达到80 cm2/V-sec。

日立能源（前ABB半导体）的Stephan Wirths和他的同事演示了一个未命名的高介电常数化合物，它能与碳化硅形成低缺陷表面, 不需要SiO2必需的钝化步骤。正如在硅器件中一样，对碳化硅金属氧化物半导体场效应管使用高介电常数介质也会增加在给定电容下的物理厚度，从而减少漏电流。

碳化硅的载流子迁移率较低，这给设备设计师带来了一个新的挑战。即使经过几十年的优化，通过改进介质的载流子迁移率表现最好的碳化硅产品迁移率仍然比硅少10倍。因此，相关通道电阻较硅高出10倍。

对于功率器件，低迁移率限制了其性能和耐久性。器件的电阻和开关损失直接影响电动汽车的续航等参数。尽管植入型掺杂剂和器件结构的改进可以降低通道电阻，但如Sonrisa Research的总裁James Cooper所指出，这同时也导致了电流密度增加并降低短路耐受时间。

短路耐受时间是衡量功率器件安全性的重要参数。如果设备因故发生短路，那么它需要拥有足够的寿命以保证保护电路反应。失败可能会对电负载产生永久性损坏，甚至可能导致用户受伤、火灾和财产损失。对于具体要求，依赖于保护电路的设计，但通常时间在5到10微秒之间。随着电流密度的增加，短路状态下的温度也会随之升高，而耐久时间则会减少。

相比于同等评级的硅器件，碳化硅MOSFET的市场接受度较低，这部分原因是这些设备往往具有较短的耐受时间。因此，设计者们期望改变通道电阻和电流密度之间的关系。我们是否有办法降低电阻，而不将电流密度提高到危险的水平呢？

可能的解决方案是降低电极偏压并减小氧化物厚度。Cooper解释道，薄氧化物提高了对通道的控制——要知道在硅MOSFET中就运行在低电压下。这种解决方案需要对制造过程进行微调。虽然关于薄介质碳化硅器件的研究较少，但硅器件使用的氧化物厚度薄达到5nm，且没有引发过多的隧道效应。如上所述，使用高介电常数适宜可以在保持物理厚度的同时提供更好的通道控制。

SUNY理工学院的Dongyoung Kim和Woongje Sung提出了另一种解决方案，他们尝试通过增加有效通道宽度来降低电流密度。他们沿 SiC晶格方向使用离子引导，以4°的倾斜角植入深P井。这种方法只需要微小的改动即可应用于制造过程中，因为深井掺杂和常规井使用的掩蔽材料相同。最终所得的器件可以减小最大漏电流约2.7倍，同时将耐受时间提高了4倍。

针对类似的问题，硅工业则转向了如今无所不在的FinFET。通过在特定电流下增加通道面积，可以降低电流密度。普渡大学的研究人员展示了一个具有多个亚微米fin的碳化硅三栅金属氧化物半导体场效应管，并实现了对特定通道电阻的3.6倍降低。

虽然目前还不清楚功率设备行业会以多快的速度采纳像FinFET这样的颠覆性架构，但碳化硅的高击穿电压无疑是一大吸引力。希望实现这一优势的制造商需要找到解决低迁移率和高电流密度问题的办法。