突破一维电阻极限的碳化硅单极型高压器件基础研究

Aiming at realizing high-voltage high-power-density power devices and improving the trade-off between breakdown voltage and specific on-resistance in silicon carbide (SiC) power electronics devices, this project develops trench-etching-and-epi-regrowth method and implantation-epi-regrowth approach to realize super-junction and floating-junction principle in SiC devices. The method can overcome the barrier brought by multiple epi-regrowth technology, and can increase the cell density. The charge balance in the super-junction can be achieved by adjusting the doping concentration in the P-type epi-regrowth, and the buried P islands in the floating-junction can be realized by multiple implantation and epi-regrowth, 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, charge balance control, and high-quality epi-regrowth in the deep trench and on the implanted surface will also be 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.

为实现高压高功率密度功率器件，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，本项目提出将超级结和浮空结技术引入碳化硅器件的漂移区。在超级结器件方面，研究沟槽刻蚀-外延生长填充的工艺方法实现超级结结构，该方法可以克服多次外延技术所需工艺步骤过多的问题，更容易获得更小的元胞尺寸；在浮空结器件方面，通过离子注入-外延生长实现多层浮空结结构，并研究在离子注入区域的晶体再生长动力学机理和缺陷抑制机理。本项目将深入开展碳化硅沟槽型超级结和浮空结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、电荷平衡控制、深沟槽与离子注入区域外延再生长缺陷控制等关键工艺方法的研究，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。

未来电网要求电力电子装置具有更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性，对高压高功率密度功率模块提出了迫切的需求，其核心是高阻断电压、低导通电阻的电力电子器件。电力电子器件的阻断电压和比导通电阻之间存在一个众所周知的一维理论极限。采用超级结或浮空结技术来突破一维理论极限、降低中高压SiC器件（1700V~15000V）的比导通电阻将成为其发展的必由之路。.本项目探明了SiC 超级结和浮空结结构的电荷分布对整体电场分布的调控机理，提出一种了多层外延结构，可以大幅提升器件性能，对于40µm深槽结构来说，器件品质因素提升了102.6%。建立了浮空结电场分布的解析模型，理论结果显示，FDFI结构将显著突破SiC极限。在三个岛层的情况下，当电压水平>6kV时，FDFI结构的Ron,sp可降低68%-78%。.本项目攻克了 SiC 高深宽比沟槽型超级结和三层浮空结器件的关键工艺。获得了深宽比为5的15μm深且无微沟槽底部圆滑的SiC沟槽。通过注入剂量与退火激活温度协同调控的方法对空间电荷的补偿状态进行了调制。并在高温退火工艺中，通过SiO2保护层和Ar氛围等多种保护手段相结合的方式改善了SiC表面粗糙度。研究了沟槽外延生长过程中的形貌演变规律，并通过引入HCl气体，实现了生长过程中的原位刻蚀，有效减少台面外延，实现槽内和台面外延生长的高选择性，避免了填充空隙的出现。.基于上述研究，本项目通过工艺整合，流片研制出击穿电压和导通电阻分别为1920V和1.6mΩ•cm2的碳化硅超级结肖特基二极管，成功打破了SiC单极型器件的一维理论极限。在完成项目任务书研究目标的基础上，本项目开展了碳化硅超级结JFET器件的流片研制，并在国际上首次报道了相关实验结果，器件展现出低比导通电阻、高阈值电压稳定性等优势。