碳化硅高深宽比沟槽型超级结器件基础技术研究

Aiming at improving the trade-off between breakdown voltage and specific on resistance in silicon carbide (SiC) power electronics devices, this project develops a trench-etching-and-sidewall-implant method to realize super-junction principle in SiC devices. This method can overcome the limitation of SiC doped epi-regrowth technology. In this method, the P-type region is formed by tiled ion implantation into the trench sidewalls and the charge balance is achieved by adjusting the ion activation rate, thus breaking the SiC unipolar one-dimensional theoretical limit. This project will thoroughly study the influence mechanism of space charge distributions on the electric field distribution. Key process technology, including high-aspect-ratio trench etching, small-tilt sidewall ion implantation and charge balance control will also be created and refined. Based on the above research work, we may provide a new path for the development of the next-generation limit-breaking SiC power devices.

针对当前中高压单极型碳化硅电力电子器件反向耐压与导通电阻之间存在的突出矛盾和一维理论极限，本项目提出一种深槽刻蚀-侧壁倾斜离子注入的全新工艺方法，将超级结引入碳化硅器件的漂移区。这一工艺方法可以克服碳化硅掺杂外延回填工艺不成熟的技术障碍，通过倾斜离子注入深沟槽侧壁的方式形成P型区域，并通过调整注入离子激活率实现电荷平衡，以达成打破碳化硅材料单极型一维极限的目标。本项目将深入开展碳化硅沟槽型超级结漂移区空间电荷分布方式对其电场分布调控机理和优化方法的研究，并致力于高深宽比沟槽刻蚀、小倾角侧壁离子注入及电荷平衡控制等关键工艺技术的研发，并研制比导通电阻显著低于碳化硅一维理论极限的器件。该项目的研究将为打破碳化硅器件性能瓶颈，开展下一代碳化硅器件的研发提供新的设计思路和方向。

随着电力电子技术的发展，对高耐压能力、低导通电阻的电力电子器件的要求日益迫切，SiC电力电子器件成为目前国际上具有领先技术优势的国家和重点企业大力发展的前沿热点技术，也是我国迫切需要发展的电力电子技术和产业的核心。本项目针对当前中高压SiC单极型器件存在高反向耐压与高比导通电阻之间的突出矛盾，采用超级结技术来降低中高压SiC器件（1700V~15000V）的比导通电阻。.本项目系统地研究了注入区电荷浓度、SiC台面宽度、SiC沟槽深度、侧壁倾斜角度等关键结构参数对器件反向阻断及正向导通性能的影响机理，探明了SiC超级结中空间电荷分布对整体电场分布的调控机理。并完成了SiC超级结器件的优化设计，从理论上证明了深槽刻蚀-侧壁离子注入路线制备的SiC超级结二极管器件能够实现对“SiC一维极限”的大幅度突破。.本项目对SiC刻蚀技术进行了系统的研究，探明了工艺条件对刻蚀速率和形貌的影响机理，进而提出了“双相刻蚀”工艺进行SiC深沟槽刻蚀，并开发了使用“SiO2+PI+SiO2”组合填充沟槽工艺。.本项目制备了国际上首颗具有完整功能的SiC超级结功率半导体器件1.35kV SiC超级结肖特基二极管（比导通电阻低达0.92 mΩ∙cm2）、1.92kV SiC超级结肖特基二极管（比导通电阻低达1.6 mΩ∙cm2）、1.35kV SiC超级结JFET。这一系列SiC超级结器件展现出了优异的性能，并成功打破了SiC单极型器件的理论一维极限。