關注 | 第三代半導體材料4H-SiC將帶來革命性的變化

半導體材料與工藝設備

2021年8月31日 13:33

4H-SiC功率器件作為一種寬禁帶半導體器件，憑借突出的材料優(yōu)勢具有耐壓高、導通電阻低、散熱好等優(yōu)勢。近年來隨著器件的逐步商用，器件的可靠性問題成為新的研究熱點。

本文綜述了本課題組近期在4H-SiC功率二極管可靠性方面的研究進展，通過高溫存儲和高壓反偏可靠性問題的研究，分析了器件性能退化機制。通過重復雪崩可靠性問題的研究，提出了一種可有效提升器件抗重復雪崩能力的終端方案。

作為第三代半導體材料（WBG）的典型代表， 4H碳化硅 （4H-SiC）具有 禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、熱導率高、飽和速度大 等優(yōu)勢。

借助其優(yōu)秀的材料特性，4H-SiC功率器件將擁有 更高的轉換效率及開關頻率 ，可以輕松實現(xiàn)高壓大電流的高速開關。

相較于傳統(tǒng)Si器件，4H-SiC功率器件可以使相關應用的實現(xiàn)帶來革命性的變化，近年來已獲得了產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。

自2001年Infineon推出第一款4H-SiC肖特基二極管產(chǎn)品以來，4H-SiC器件的研究得到了長足的發(fā)展。

目前，Infineon、Cree等公司均已推出600~1200 V/1700 V、最大電流為40 A/50 A的二極管產(chǎn)品。

近年來，國內(nèi)的4H-SiC功率二極管研究及產(chǎn)業(yè)也 日趨成熟 ：泰科天潤已成功推出600~1700 V 4H-SiC二極管產(chǎn)品，中國電子科技集團公司第五十五研究所Huang等已開發(fā)出超過10 kV的SiC結勢壘肖特基（JBS）器件，浙江大學Ren等研制了1.2 kV 的溝槽結勢壘肖特基（TJBS）器件，西安電子科技大學Yuan等分別研制了超過5 kV的SiC JBS二極管及TJBS器件。

各大廠商及研究機構在追逐 更小芯片面積、更優(yōu)良率 的同時，4H-SiC功率器件的可靠性問題同樣值得關注。

這其中，浪涌、高溫存儲及動態(tài)雪崩等可靠性問題得到了廣泛的關注。

北卡羅來納大學的研究團隊研究了4H-SiC肖特基勢壘二極管（SBD）和JBS結構的 浪涌特性 ，并分析了相應的退化機制；浙江大學研究組則通過對混合pin/Schottky（MPS）離子注入工藝及結構設計的改進，有效提升了器件的額定浪涌電流。

針對 高溫存儲 ，研究熱點則主要集中在研究器件在極端溫度下的工作穩(wěn)定情況，Banu等研究了SiC SBD在-170~280℃溫度下的長期工作穩(wěn)定性；Godignon等報道了具有耐高溫和低溫能力的300 V/5 A SiC肖特基二極管，這些二極管可在-170~300℃下穩(wěn)定工作。

關于 重復雪崩 研究，則主要集中在對于器件性能退化的研究及機制分析：Huang等研究了兩種不同型號4H-SiC JBS二極管在重復雪崩應力下的耐受能力，實驗結果表明，兩種器件都出現(xiàn)了正向導通壓降的退化和擊穿電壓漂移；2015年，英飛凌發(fā)布了第五代1200 V SiC二極管，器件中采用了新的芯片設計，有效提升了器件的雪崩特性；東南大學研究團隊同樣對4H-SiC JBS的雪崩特性進行了研究，結果表明器件擊穿電壓在雪崩應力下發(fā)生漂移，而應力過程中熱電子注入和俘獲是導致器件擊穿電壓發(fā)生漂移的可能原因。

高溫存儲

高溫存儲實驗是一項評估電子元器件在高溫環(huán)境下耐受能力的可靠性試驗。

通常實驗方法是把樣品暴露 在高溫且空氣干燥的環(huán)境中 ，觀測元器件性能在高溫下的退化規(guī)律，它是篩選元器件過程中最常用的試驗之一。

4H-SiC JBS二極管在多種高溫功率電子領域中的快速應用和發(fā)展也為該器件引入了高溫可靠性問題，因此本課題組研究了高溫存儲應力對4H-SiC JBS性能的影響，并推斷引起器件性能退化的內(nèi)在物理機制。

下圖展示了本次實驗采用的具 有場限環(huán) （FLRs）終端的自研4H-SiC JBS 器件結構、所使用的測試平臺及實驗步驟，選取的應力溫度為275℃，存儲時長分別為1、3、7、15、31和45 h。

具有場限環(huán)終端的4H-SiCJBS 器件

(a) 擁有FLRs終端的4H-SiCJBS器件剖面圖；(b) FLRs終端橫截面SiO₂/4H-SiC結構的透射電子顯微鏡圖像；(c) 待測樣品照片；(d) 存儲實驗裝置；(e) 高溫存儲實驗程序

從不同存儲時間下器件的反向阻斷特性及擊穿電壓統(tǒng)計結果可以看到，器件擊穿電壓在高溫存儲應力下發(fā)生了漂移，開始時，器件擊穿電壓隨著存儲時間的增大逐漸下降，到15 h時達到最低點，約1410 V；之后，擊穿電壓逐漸回升，到45 h時擊穿電壓回升到約1520 V。

不同存儲時間下器件的反向阻斷特性及擊穿電壓分布

(a) SiC JBS二極管在高溫存儲前后的反向阻斷特性；(b) 擊穿電壓統(tǒng)計結果

為了進一步說明器件擊穿電壓漂移的原因，對同片上的MOS電容同樣進行了高溫測試。

結果表明275℃高溫存儲過程中，C-V曲線逐漸向正電壓方向漂移，在7 h時達到正向漂移的最大值，之后逐漸往負電壓方向漂移。

為了更清晰地表示C-V曲線的漂移程度，提取了MOS電容的有效界面電荷密度隨高溫存儲應力時間的變化。

45 h，275℃高溫存儲過程中，SiO2/4H-SiC界面負有效電荷的數(shù)量先增大后減小。

由于界面電荷的變化會影響器件FLRs終端耗盡層的擴展程度，因此會導致器件的擊穿電壓發(fā)生漂移。

MOS電容高溫測試結果

(a) 高溫存儲過程中，4H-SiC MOS 電容在頻率為100 kHz下的常溫C-V曲線；(b) 4H-SiC MOS電容的有效界面電荷密度隨高溫存儲應力時間的變化

基于以上結果，推測了高溫存儲應力下界面電荷變化的物理過程。

在初期，界面電荷可通過熱電子發(fā)射等形式填充進SiO2/4H-SiC界面。

隨著SiO2/4H-SiC界面區(qū)電子俘獲量的增加，耗盡寬度增大導致勢壘增大，使得熱離子發(fā)射電子的數(shù)量減少。

另一方面，耗盡層寬度的增大同時將導致在價帶邊緣的累積空穴隧穿進入SiO2/4H-SiC界面，從而降低有效負界面電荷濃度，導致?lián)舸╇妷褐匦律摺?/span>

高溫存儲應力下界面電荷變化的物理過程

高壓反偏

高壓反偏 作為一種較為常見的可靠性測試形式，常用于評估元器件在偏置應力下的穩(wěn)定性。

針對4H-SiC JBS器件的工作特點，對器件工作在不同反偏應力電壓下的性能進行了測試分析，并推斷了性能退化的內(nèi)在物理機制。

下圖顯示了器件在不同反偏電壓及時間下?lián)舸╇妷旱淖兓闆r，可看到器件擊穿電壓均發(fā)生了不同程度的漂移，應力電壓越大、應力時間越長，擊穿電壓漂移越大。

這是由于在反偏應力過程中SiO2/4H-SiC界面電荷發(fā)生改變，導致器件擊穿電壓發(fā)生漂移。

雖然測試結果顯示器件的擊穿電壓在常溫下均緩慢恢復，但是很難恢復到初始值。

推測是由于部分被界面陷阱捕獲的載流子很難在常溫無外加應力的條件下釋放出來，導致器件擊穿電壓很難恢復到初始值。

4H-SiC JBS 器件擊穿電壓及恢復情況

(a) 器件在不同反偏電壓及時間下?lián)舸╇妷旱淖兓闆r；(b) 器件擊穿電壓的恢復情況

基于實驗結果，本課題組提出了一種可能的反偏應力下載流子被界面陷阱捕獲的物理過程。

反向偏壓應力將在SiO2/4H-SiC界面附近產(chǎn)生較高的電場和空穴濃度，這將導致空穴非常容易注入到SiO2/4H-SiC界面而被界面陷阱捕獲。

被捕獲的空穴將導致SiO2/4H-SiC界面處的總負有效界面電荷的減少，從而器件擊穿電壓升高。

當反向偏壓應力增大時，SiO2/4H-SiC界面上的垂直電場和空穴濃度均會增大，這將導致向SiO2/4H-SiC界面和氧化層注入更多的空穴，使得器件的擊穿電壓漂移量增大。

高溫反偏應力下界面電荷變化的物理過程

重復雪崩

重復雪崩應力可靠性測試，則主要通過對器件 施加多次瞬時雪崩電流 來考察器件對雪崩電流應力的耐受能力。

目前，已有的研究成果表明，重復雪崩容易引起 器件擊穿電壓漂移。

基于此，對目前4H-SiC功率器件普遍采用FLRs終端的重復雪崩可靠性問題及加固方法展開研究。

課題組分別設計及制備了具有 傳統(tǒng)平面FLRs及具有溝槽結構的溝槽FLRs終端結構的4H-SiC JBS二極管。其中，溝槽深度分別為0.5及1 μm，用于提升平面FLRs終端的注入結深。

不同F(xiàn)LRs終端結構的4H-SiC JBS 二極管

(a) 平面FLRs；(b) 溝槽FLRs終端（0.5 μm）；(c) 溝槽FLRs終端（1.0 μm）

從本次重復雪崩測試所采用的電路圖及波形圖，可以看到單次流經(jīng)待測器件的雪崩峰值電流約1.8 A。

3種終端結構均出現(xiàn)了不同程度的擊穿電壓漂移，首環(huán)間距（S1）越大，器件發(fā)生擊穿電壓的漂移量越大。

平面FLRs終端僅僅在S1為1.2 μm時才能保證擊穿電壓不發(fā)生漂移，而兩種溝槽FLRs終端在可以保證S1在2及2.5 μm時擊穿電壓不發(fā)生漂移，且在相同S1下，溝槽FLRs終端的擊穿電壓漂移量要小于傳統(tǒng)平面FLRs終端結構。

因此，可以看出平面FLRs終端擁有較差的器件抗重復雪崩能力，溝槽FLRs終端不僅提升了4H-SiC JBS器件的重復雪崩耐受能力，更提升了FLRs終端S1的工藝容限。

重復雪崩測試

(a) 重復雪崩測試電路圖；(b) 測試波形圖；(c) 100萬脈沖測試前后器件擊穿電壓漂移情況

結論

隨著4H-SiC功率器件在諸多領域的應用越來越廣泛，器件的可靠性問題成為新的研究熱點。

本文介紹了本課題組在4H-SiC功率二極管的可靠性研究進展，針對高溫存儲、高壓反偏及重復雪崩等應力所引起的器件性能退化現(xiàn)象，主要研究了器件退化機理，同時提出了加固方案。

通過以上研究結果可知，目前4H-SiC功率器件的可靠性問題尚未完全解決，在機理分析、加固方法等方面還存在諸多問題。此外，隨著4H-SiC功率器件的應用逐漸展開，4H-SiC的輻照可靠性問題也會受到廣泛關注。

4H-SiC器件已經(jīng)展現(xiàn)出優(yōu)良的特性，勢必將進一步推動電力電子技術朝著更高效、更安全的方向發(fā)展。

來源：科技導報

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