SiC功率器件性能和可靠性的提升

在電力電子領(lǐng)域，碳化硅(SiC)技術(shù)對(duì)于推動(dòng)向電動(dòng)移動(dòng)性的轉(zhuǎn)變和提高可再生能源系統(tǒng)的效率至關(guān)重要。隨著市場(chǎng)需求的增加，功率半導(dǎo)體公司面臨著迅速擴(kuò)大生產(chǎn)能力的壓力。盡管4H-SiC材料的質(zhì)量和可用性有了顯著提升，但生產(chǎn)低缺陷密度和高性能SiC晶片以實(shí)現(xiàn)最佳產(chǎn)量的挑戰(zhàn)依然存在。

為了應(yīng)對(duì)這一緊迫需求，一種開(kāi)創(chuàng)性的SiC工程基板被引入以滿足行業(yè)需求。2023年9月，一條專用制造線的揭幕標(biāo)志著重要里程碑，預(yù)示著這種創(chuàng)新SiC基板的大規(guī)模生產(chǎn)開(kāi)始。這一戰(zhàn)略舉措有望徹底改變SiC技術(shù)的格局，為當(dāng)前制造限制提供突破性解決方案，并為電力電子應(yīng)用的效率和性能提升鋪平道路。

SmartSiC基板的制造依賴于Smart Cut技術(shù)，并在SiC器件制造中提供了顯著優(yōu)勢(shì)。以下是其關(guān)鍵特性和益處的分解：

高質(zhì)量SiC頂層：Smart Cut技術(shù)促進(jìn)了高質(zhì)量SiC層在支撐晶片上的轉(zhuǎn)移，作為漂移外延生長(zhǎng)的種子。這一過(guò)程對(duì)于優(yōu)化器件產(chǎn)量和可靠性至關(guān)重要，確保最終器件符合嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

低電阻率支撐晶片：該技術(shù)采用低電阻率支撐晶片，典型電阻率為2 mOhm.cm(標(biāo)準(zhǔn)SiC材料電阻率約為20 mOhm.cm)。這一特性增強(qiáng)了器件導(dǎo)電性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)損耗的最小化，最終提高了基于SiC器件的應(yīng)用的整體性能。

兼容不同晶片直徑：Smart Cut技術(shù)兼容任何基板直徑，適用于150 mm和200 mm晶片。

基于上述特性，獲得的SmartSiC工程基板由亞微米厚(400至800 nm)的高質(zhì)量單晶4H-SiC頂層和聚晶SiC支撐晶片組成。最終工程基板的厚度為150 mm晶片350 μm，200 mm晶片500 μm。這種組成確保了基板的結(jié)構(gòu)完整性和性能，有助于SiC器件的可靠性和效率。

此外，通過(guò)使初始單晶供體晶片的可重復(fù)使用性成為可能，SmartSiC技術(shù)提供了對(duì)難以實(shí)現(xiàn)的SiC晶錠的最有效利用。與通常每晶錠最多提取50片晶片的傳統(tǒng)SiC材料加工相比，Smart Cut技術(shù)可以從同一晶錠準(zhǔn)備多達(dá)500個(gè)工程基板。這種生產(chǎn)力的顯著提高代表了SiC器件制造的成本節(jié)約和資源高效解決方案。

應(yīng)用于SmartSiC工程基板制造的Smart Cut過(guò)程如圖1所示。

為了研究SmartSiC工程基板與標(biāo)準(zhǔn)單晶4H-SiC晶片的優(yōu)點(diǎn)，在兩種基板上制造了n型、13 mOhm/650 V Gen2平面SiC MOSFET，并作為單一批次同時(shí)處理。

作為參考的單晶4H-SiC晶片是氮摻雜的，典型電阻率為20 mOhm.cm，而SmartSiC基板的聚晶SiC支撐晶片具有更高的氮摻雜和典型電阻率為2 mOhm.cm。漂移外延是氮摻雜的，摻雜濃度ND≈2x1016cm-3。

磷和鋁注入分別用于形成源極和體區(qū)域。柵氧化層是55nm厚的SiO2層，而高摻雜n型聚晶Si用作柵極電極。標(biāo)準(zhǔn)單晶SiC晶片和SmartSiC?基板上的測(cè)試車輛MOSFET結(jié)構(gòu)如圖2所示。

結(jié)果展示

這里展示了在13 mOhm 650 V Gen2平面SiC MOSFET上獲得的結(jié)果。

圖3展示了器件的RDSon比較。結(jié)果顯示，與SmartSiC基板相比，導(dǎo)通電阻平均降低了約24%。這一改進(jìn)是由于SmartSiC基板的聚晶SiC支撐晶片的電阻率遠(yuǎn)低，以及其能夠?qū)崿F(xiàn)更低電阻率金屬接觸(在這種情況下是背面漏極接觸)的能力。

如此強(qiáng)烈的RDSon降低(約24%)接近于從一代器件過(guò)渡到下一代時(shí)可以預(yù)期的水平。

圖4和圖5分別展示了在單晶SiC晶片和SmartSiC基板上制造的同一器件的閾值電壓和漏電流。結(jié)果顯示，這兩種基板在這些參數(shù)上表現(xiàn)出等效行為。

其他器件的潛力

如前所述，與電阻率約為20 mOhm.cm的標(biāo)準(zhǔn)單晶SiC基板相比，聚晶SiC材料可以實(shí)現(xiàn)低至1 mOhm.cm的電阻率，典型值約為2 mOhm.cm。此外，聚晶SiC的高摻雜水平有助于將接觸電阻降低至遠(yuǎn)低于10 μO(píng)hm.cm2。這些特性使SmartSiC基板能夠提高器件的電流密度，從而允許減小MOSFET和二極管的器件尺寸。

特別是對(duì)于FET，盡管總增益取決于初始器件特定電阻(Ron.A)和晶片厚度，但圖6顯示，F(xiàn)ET技術(shù)越先進(jìn)，獲得的增益越高。我們所說(shuō)的初始Ron.A是指器件在單晶SiC晶片上制造時(shí)的電阻。例如，對(duì)于初始Ron.A為2.8 mOhm.cm2和晶片厚度為180μm的FET，圖5顯示，在SmartSiC基板上制造時(shí)，新的Ron.A降低了15%(增益為15%)。請(qǐng)注意，這種增益與器件的電壓等級(jí)無(wú)關(guān)。

前一段中提到的2.8 mOhm.cm2值對(duì)應(yīng)于當(dāng)前1200 V SiC MOSFET的先進(jìn)水平。然而，當(dāng)考慮到未來(lái)幾年的器件代數(shù)時(shí)，預(yù)計(jì)Ron.A增益(減少)將超過(guò)20%，始終呈現(xiàn)出使用SmartSiC工程基板的優(yōu)勢(shì)，即“至少”多一代的優(yōu)勢(shì)。

極端增益情況出現(xiàn)在當(dāng)今最先進(jìn)的JFET中，這是400 V和800 V電動(dòng)汽車固態(tài)斷路器的首選。以750 V SiC JFET為例，初始Ron.A約為0.7 mOhm.cm2，預(yù)計(jì)增益約為30%。

最后但同樣重要的是，初步分析顯示，SmartSiC工程基板在特定電評(píng)估中進(jìn)一步證實(shí)了其對(duì)雙極退化的寶貴魯棒性。這種退化現(xiàn)象出現(xiàn)在SiC基板上，是由于在暴露于高雙極電流(由于電子和空穴同時(shí)存在)時(shí)，SiC晶體內(nèi)的基平面位錯(cuò)(BPD)的滑動(dòng)(擴(kuò)展)。這通常發(fā)生在SiC MOSFET的反向?qū)ㄆ陂g，電流通過(guò)晶體管的PiN型體二極管。

為了驗(yàn)證這種魯棒性，外延標(biāo)準(zhǔn)單晶SiC晶片和SmartSiC基板暴露于旨在揭示雙極退化的應(yīng)力條件下。這是通過(guò)使用ITES公司開(kāi)發(fā)的E-V-C技術(shù)進(jìn)行的。經(jīng)過(guò)應(yīng)力測(cè)試后，結(jié)果顯示，與標(biāo)準(zhǔn)SiC晶片獲得的結(jié)果相比，SmartSiC情況下的肖克利堆垛故障數(shù)量及其典型尺寸較低。結(jié)果表明，SmartSiC設(shè)計(jì)在抗雙極退化方面具有固有的優(yōu)勢(shì)。這一特性之前通過(guò)在受到質(zhì)子輻照的4H-SiC外延層上進(jìn)行的正向電流應(yīng)力測(cè)試進(jìn)行了評(píng)估。

未來(lái)代數(shù)

在當(dāng)前加速部署SiC器件以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性和電力轉(zhuǎn)換行業(yè)脫碳的背景下，SmartSiC提供了無(wú)與倫比的特性，允許更高的功率密度和更可靠的應(yīng)用。

從在單晶SiC晶片和SmartSiC基板上制造的MOSFET獲得的結(jié)果顯示，后者提供的增益相當(dāng)于從一代器件過(guò)渡到下一代時(shí)獲得的增益。

在當(dāng)前可用的器件代數(shù)上驗(yàn)證的增益顯示，SmartSiC的優(yōu)勢(shì)在未來(lái)的器件代數(shù)中將更加明顯，以及在Ron.A低得多的其他器件(如JFET)中。