SiC快速外延过程碳空位缺陷调控机理及其在超高压SiC功率器件中的应用

4H-SiC fast epitaxial growth has received increasing attention for developing ultrahigh SiC power device applications (>10 kV). In this proposal, egulative mechanism of Carbon Vacancy in 4H-SiC fast epitaxial growth and its application in ultrahigh voltage SiC power devices will be studied in detail. The main contents include: carbon vacancy defect formation\ annihilation mechanism during fast epitaxial layer growth process and the effect of the high annealing temperature on carbon vacancy defect. Finally，a kind of stable, efficient and controllable method for eliminating C vacancy defect will be proposed and the physical processes controlling the kinetics for establishment of the C vacancy defect equilibrium will be estimated. The 4H-SiC PiN devices with perfect conductivity modulation effect (samller than 3.5V@JF=100A•cm-2) will be fabricated as a result of validation, making the device performance reached the international advanced level.

针对高质量厚膜4H-SiC外延材料在超高压双极型功率器件 (>10 kV)研究中的迫切需求，本项目主要针快SiC速外延过程中C空位缺陷的行为调控和少子寿命的提升相关的基础科学问题展开研究，以研究快速外延生长过程中C空位缺陷的产生\湮灭机制与少子寿命增强之间的规律关系和阐述相应的物理机理作为主要的研究内容，研究离子注入及高温活化对C空位影响机制，提出一种可以稳定、有效、可控的消除C空位相关缺陷调控方法，建立热力学平衡条件下C空位的产生\湮灭过程的反应动力学模型，研制出高电导调制效应的SiC PiN器件作为验证，实现基于200μm外延的PiN器件的压降小于3.5V@JF=100A•cm-2，使器件性能达到国际先进水平。为将来该类器件的发展提供理论基础。

在高压电力系统领域，由于其超高电压、大电流、大功率的特殊需求，制备相应的功率器件就需要超厚外延层厚度、较低掺杂浓度、大面积和低缺陷密度的高质量厚膜同质外延材料。在该基金项目的资助下，本课题重点开展碳化硅快速后膜外延过程中空位缺陷的行为调控和少子寿命的提升技术的研究，以研究 SiC 热氧化、C+注入及空位缺陷分布与材料少子寿命规律和阐述相应机理作为主要的研究内容，进行了厚膜碳化硅外延生长实验，系统比较研究了不同热氧化时间和温度对N型和P型SiC材料少子寿命的影响，研究了C+ 离子注入来降低缺陷和改善少子寿命的方法，研究分析了 C+ 离子注入4H-SiC 外延材料对碳空位缺陷和少子寿命的影响。项目执行期内总共发表 SCI 论文17 篇，申请国家发明专利 5项， 培养博士研究生 3人，硕士研究生 2 人。通过本项目的研究，相关基础性的关键技术和理论对于碳化硅基超高电压大功率器件的发展具有重要学术和实际应用的意义。