新技术！SiC MOS双极退化难题有解了？
近年来，SiC MOSFET的可靠性已得到大幅提升，当仍有部分问题令下游应用方、SiC 器件企业（甚至SiC 衬底/外延）都感到非常头疼。
现阶段，SiC MOSFET主要的两个可靠性问题是：栅氧化层和双极退化。栅氧可靠性通常可以通过“工艺优化+高效筛选”等策略，在出厂前进行得到较好的控制。
但是双极退化问题是发生在长期服役的过程中，通常在出厂前比较难被筛选发现。因此，在过去几年我们时常可以听到有些企业的SiC MOSFET在车载应用中出现可靠性问题。
简单来说，双极退化是SiC器件在工作时，“电子-空穴对”复合的能量使得基底面位错（BPD）逐步扩展为堆垛层错（SF），从而导致导通电阻和正向压降永久性增大，这会直接造成SiC器件效率降低、发热加剧，严重时可能引发热失控甚至器件失效。
BPD 扩展为SSF示意图：(a) SSF 扩展前， (b) SSF 扩展后。
通常，业内主要有3个方式来处理是SiC器件的双极退化可靠性。
第一种方法是在漂移层与4H-SiC衬底之间增加一个复合增强层，让注入的“电子-空穴对”在该层复合掉，因此不会到达SiC衬底BPD处。
第二种方法是开发内嵌肖特基势垒二极管的SiC MOSFET芯片 。
第三种方法是不断提高SiC 衬底/外延指标要求，通过降低BPD缺陷，来减少堆垛层错发生的可能性。但这个方式使得碳化硅衬底厂商非常头条，通常会导致衬底产品良率大幅下降，进一步降低了产品价格和利润。
但是最近，名古屋工业大学发布了一项新的离子注入技术，通过点缺陷来控制BPD缺陷的扩展，从而解决SiC MOSFET的双极退化可靠性问题。
据介绍，名古屋工业大学的团队开发的创新技术被称为“高能离子注入抑制堆垛层错（SF-KHII）” 技术（获取文献请加许若冰微信：hangjiashuo999）。
它的具体操作是，通过串联型离子注入机，将氢离子或氦离子加速至MeV量级，使其穿透SiC外延层，直达外延层与衬底的界面附近。高能离子在穿透过程中会诱生点缺陷，这些点缺陷能够钉扎基面位错分解而成的部分位错，从而阻止部分位错的移动。部分位错被钉扎后，无法扩展形成堆垛层错，进而从根源上抑制了双极退化现象，显著提升了SiC功率器件的长期可靠性。
名古屋大学团队的采用1.2 kV器件10 µm外延层，然后使用串列型离子注入机进行高能离子注入。
首先从碳化硅外延侧注入氢离子约需1 MeV能量，然后从碳化硅衬底侧注入约需8 MeV；若使用氦离子，注入10 µm深度约需3.6 MeV。
注入完成后，需在1650–1750 °C下进行高温退火，以修复注入造成的晶格损伤。随后按常规工艺制作p-i-n二极管或其他功率器件，包括铝离子注入、激活退火及金属电极制备等步骤。
实验证实，经过高能离子注入的p-i-n二极管在施加200–850 A/cm²的脉冲电应力后，其电致发光图像保持均匀，堆垛层错扩展被显著抑制；而未注入的对照样品则出现大量暗区（即扩展的堆垛层错）。
而且不论是哪种注入离子类型（质子或氦离子）和哪个注入方向（外延侧或衬底侧），该技术均能有效阻止双极退化。这表明高能离子注入诱生的界面附近点缺陷是抑制堆垛层错扩展的关键，可大幅提升SiC器件的可靠性。
该团队表示，该技术适用于任意结构、任意电压等级的SiC功率器件，且从衬底侧注入的方案不受外延层厚度限制。该技术可以通过提高器件长期可靠性，降低SiC功率模块的制造成本和筛选成本。
他们未来的研究将进一步优化注入能量、剂量及退火条件，精确调控点缺陷的分布与类型，在保证抑制双极退化的同时最小化对导通电阻的不利影响，推动SiC功率器件走向更广阔的市场。
本文发自【行家说三代半】，专注第三代半导体（碳化硅和氮化镓）行业观察。
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