碳化硅的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

在功率半導(dǎo)體市場(chǎng)上，碳化硅（SiC）正逐步獲得重視，特別是在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，它越來(lái)越受歡迎，但由于成本過(guò)高，許多應(yīng)用場(chǎng)景仍然乏力涉足。

我們對(duì)碳化硅的優(yōu)點(diǎn)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(shù)，沒(méi)有受到足夠的投資。隨著對(duì)能適應(yīng)高電壓應(yīng)用的芯片需求的逐漸增長(zhǎng)，碳化硅得到了更多深入的關(guān)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(shì)。

碳化硅是最早被商業(yè)化的半導(dǎo)體之一，最早被應(yīng)用于晶體收音機(jī)的檢測(cè)二極管。自2008年以來(lái)，商業(yè)碳化硅結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFETs)已經(jīng)上市并在電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，特別是在極端環(huán)境下。2011年，碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)也開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)的Czochralski （CZ）生長(zhǎng)方法是不可行的。CZ生長(zhǎng)法在1500°C左右將硅融化在硅耳坩堝內(nèi)，但碳化硅的熔點(diǎn)超過(guò)2700°C。

一般來(lái)說(shuō)，碳化硅晶體通過(guò)Lely方法生長(zhǎng)。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(jìn)行升華。這種方法生產(chǎn)的結(jié)果是可行的，但是層疊錯(cuò)位和其他缺陷導(dǎo)致它缺陷重重且難以控制。工程師在檢查來(lái)料的碳化硅的晶圓時(shí)，顯而易見(jiàn)，由于堆疊錯(cuò)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(jìn)行優(yōu)化以適應(yīng)預(yù)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(huì)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(lái)自日本京都和大阪大學(xué)的研究員T. Kimoto及其同事在去年12月份的IEEE電子器件會(huì)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(dǎo)帶邊緣，它們?cè)黾恿藢?dǎo)通通道電阻，導(dǎo)致設(shè)備中閾值電壓的漂移。

作為避免碳化硅氧化的方法，Kimoto的團(tuán)隊(duì)首先用氫等離子體蝕刻了表面，然后通過(guò)化學(xué)氣相沉積法（CVD）沉積二氧化硅，并對(duì)接面進(jìn)行氮化。這個(gè)過(guò)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(dá)到80 cm2/V-sec。

日立能源（前ABB半導(dǎo)體）的Stephan Wirths和他的同事演示了一個(gè)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(duì)碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管使用高介電常數(shù)介質(zhì)也會(huì)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(shè)備設(shè)計(jì)師帶來(lái)了一個(gè)新的挑戰(zhàn)。即使經(jīng)過(guò)幾十年的優(yōu)化，通過(guò)改進(jìn)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(guān)通道電阻較硅高出10倍。

對(duì)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(kāi)關(guān)損失直接影響電動(dòng)汽車(chē)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(jìn)可以降低通道電阻，但如Sonrisa Research的總裁James Cooper所指出，這同時(shí)也導(dǎo)致了電流密度增加并降低短路耐受時(shí)間。

短路耐受時(shí)間是衡量功率器件安全性的重要參數(shù)。如果設(shè)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(hù)電路反應(yīng)。失敗可能會(huì)對(duì)電負(fù)載產(chǎn)生永久性損壞，甚至可能導(dǎo)致用戶受傷、火災(zāi)和財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)于具體要求，依賴于保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，但通常時(shí)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(huì)隨之升高，而耐久時(shí)間則會(huì)減少。

相比于同等評(píng)級(jí)的硅器件，碳化硅MOSFET的市場(chǎng)接受度較低，這部分原因是這些設(shè)備往往具有較短的耐受時(shí)間。因此，設(shè)計(jì)者們期望改變通道電阻和電流密度之間的關(guān)系。我們是否有辦法降低電阻，而不將電流密度提高到危險(xiǎn)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(duì)通道的控制——要知道在硅MOSFET中就運(yùn)行在低電壓下。這種解決方案需要對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行微調(diào)。雖然關(guān)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(dá)到5nm，且沒(méi)有引發(fā)過(guò)多的隧道效應(yīng)。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(shí)提供更好的通道控制。

SUNY理工學(xué)院的Dongyoung Kim和Woongje Sung提出了另一種解決方案，他們嘗試通過(guò)增加有效通道寬度來(lái)降低電流密度。他們沿 SiC晶格方向使用離子引導(dǎo)，以4°的傾斜角植入深P井。這種方法只需要微小的改動(dòng)即可應(yīng)用于制造過(guò)程中，因?yàn)樯罹畵诫s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(shí)將耐受時(shí)間提高了4倍。

針對(duì)類似的問(wèn)題，硅工業(yè)則轉(zhuǎn)向了如今無(wú)所不在的FinFET。通過(guò)在特定電流下增加通道面積，可以降低電流密度。普渡大學(xué)的研究人員展示了一個(gè)具有多個(gè)亞微米fin的碳化硅三柵金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定通道電阻的3.6倍降低。

雖然目前還不清楚功率設(shè)備行業(yè)會(huì)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(wú)疑是一大吸引力。希望實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)勢(shì)的制造商需要找到解決低遷移率和高電流密度問(wèn)題的辦法。