IEDM2024 | 碳化硅功率器件的性能与可靠性提升技术

逍遥设计自动化

引言
碳化硅（SiC）功率器件在电力电子领域代表着重要的技术进步，对实现碳中和社会具有重要意义。基于优异的特性，这类器件在市场上获得广泛应用。为理解SiC技术的潜力和挑战，需要从晶体结构、器件性能和可靠性等方面进行分析[1]。

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/ y' Q0 ~' c: @4 v- {% }+ W8 N图1：展示了SiC MOSFET的基本结构示意图，说明了各类晶体缺陷及其对器件性能的影响。该图详细标识了不同类型缺陷的位置及其作用机理。
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晶体结构与缺陷形成机制
SiC器件制造始于采用升华法制备4H-碳化硅衬底。工程师通过外延生长形成漂移层，并在衬底和漂移层之间引入关键的缓冲层。缓冲层的主要作用是将有害的晶体缺陷转化为危害较小的形式。制造过程中会产生多种需要严格控制的晶体缺陷，包括微管、螺位错（TSDs）、刃位错（TEDs）和基平面位错（BPDs）。

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图2：展示了(a)带条纹窗口的PiN二极管示意图，专门用于研究BPD扩展现象，以及(b)双极性工作前后的电致发光（EL）图像，清晰地显示了BPDs向1SSFs的扩展过程。

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% L  u8 N" q3 ]; \, d缺陷扩展及其影响
当SiC器件进行双极性工作时，基平面位错会在电子和空穴复合能量的作用下扩展，形成单Shockley型堆垛层错（1SSFs）。这种扩展会形成阻碍载流子迁移的障碍，导致正向电流流动时的压降增加。

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图3：展示了由1SSF扩展引起的MOSFET特性退化，包括(a)导通电压Vds(on)和(b)关态电压Vsd(off)的变化。
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缺陷的影响程度取决于其形状和大小。部分缺陷呈现三角形分布，另一些形成条状扩展，对器件性能产生不同程度的影响。
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图4：通过EL成像显示了扩展1SSF的各种形态，突出显示了器件工作过程中可能出现的不同缺陷模式。
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图5：说明了1SSF面积占比与Vf退化之间的关系，显示了缺陷面积越大，性能退化越严重。
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0 A! l# B" Q6 T$ F( S) m先进器件设计方案
针对这些挑战，研究人员开发了多种创新方法，尤其是SBD嵌入式MOSFET技术。这种设计专门用于抑制由空穴注入到BPDs引起的1SSF扩展。
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图6：展示了两种关键的设计方案：(a)条形单元结构的SBD嵌入式MOSFET，以及(b)具有CSL扩展的棋盘格形单元的改进版本。
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5 X2 t# z" k- l, x4 @6 e* {# E这些设计创新的效果可通过多种性能指标进行衡量。内置肖特基势垒二极管降低了施加在p-n结上的偏置，防止反向导通状态下的双极性工作。
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, A3 J) N0 ^6 p$ a4 p  }4 F图7：展示了条形单元和带CSL扩展的棋盘格单元设计在单极性电流能力与RonA之间的权衡关系。

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图8：展示了优化结构MOSFET在不同漂移层设计下RonA与击穿电压之间的关系。
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& s4 }7 W% {6 ^9 }2 E3 c% G可靠性提升技术
复合增强（RE）层的引入是提高器件可靠性的重要技术进步。这种特殊层具有比漂移层更高的杂质浓度，能有效降低少子密度。

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# q4 w; ~, @- r: W, H图9：展示了(a)带RE层的PiN二极管结构示意图，以及(b)对比数据，证明了采用RE层的器件1SSF频率降低。

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; L# X- J6 }5 Q& D! z3 o1 v图10：展示了(a)用于研究BPD扩展的PiN二极管示意图及其实际PL图像，以及(b)电流密度与空穴穿透深度之间的关系。
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2 o+ ]0 t* j2 tSiC功率器件技术的发展需要在性能优化和可靠性提升之间保持平衡。随着技术不断进步，这些改进将推动更高效、更可靠的电力电子系统的发展，为可持续能源应用提供有力支持。
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& a( T/ m( n8 Z  G3 _8 j  ~参考文献
8 C; M' z8 G* k( N[1] H. Kono, R. Ohara, T. Suzuki, S. Asaba and K. Sano, "Performance and reliability improvement trends in silicon carbide power devices," in 2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2024.
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