碳化硅SiC半导体功率器件制作工艺的重大突破，汽车电子的福音

碳化硅(SiC)半导体目前被称为第三代半导体，倍受半导体学术界、半导体产业界青睐。究其原委，则在于与前两代半导体材料锗(Ge)、硅(Si)和砷化镓(GaAs)相比，碳化硅半导体具有耐高压、耐高温、低损耗等优越性能，因而被广泛应用于制作高温、高频、大功率和抗辐射等方面的半导体器件。俗话说，人无完人；半导体材料似乎也是如此，性能优越的碳化硅半导体，不仅价格昂贵，而且因为大尺寸碳化硅晶圆容易产生晶格层缺陷(面缺陷)，而使得由其制作的大功率半导体器件难以确保长期可靠性。而追根问底，碳化硅半导体材料价格昂贵的原因、碳化硅半导体器件不能长期保持可靠性的原因，都在于碳化硅大尺寸晶圆在拉制过程中容易产生晶格缺陷这一点上。

日本名古屋工业大学、日本名古屋大学、日本住重アテックス(ATEX)的一项联合研究，对于上述难题给出了令人满意的解决方案。其研究论文以英文形式发表在了英国在线综合学术杂志《Scientific Reports》上，2022年9月5日组成该联合研究团队的名古屋工业大学研究生院工学研究学科加藤正史(Massive KATO)副教授、名古屋大学未来材料与系统研究所原田俊太(Shanta HARADA)副教授与日本住重アテックス(ATEX)的研究人员，在日本又以日文的形式再次予以发表。

在SiC的晶体缺陷中，层缺陷被认为是造成不利于长期可靠性不高的罪魁祸首。因为在SiC半导体功率二极管中流过电流时，发现了该层缺陷中扩展现象，具体将就是，这时载流子的移动被分割于层缺陷的两侧，随着载流子在层缺陷两侧间距离的不断扩大，层缺陷也会扩展开来。虽然层缺陷主要存在于衬底之中，但是随着这种扩展过程的出现，继而会越来越严重地出现于真正制作碳化硅半导体功率器件的外延层中，包括器件区。伴随着层缺陷的扩展，器件中载流子的传输电阻值也会增大，这就是目前已经为业界所熟知的双极性劣化现象，而且也一直是需要解决的碳化硅半导体功率器件长期可靠性方面的难题。

该研究团队的具体解决措施是，在碳化硅半导体晶体衬底的表面形成外延层之后，利用加速能量为兆电子伏特(MeV)级的离子加速器，将氢离子注入到外延层与衬底的界面附近，使其固定下来，从而人为地制造一些位置可控的点缺陷。研究结果发现，这种人工制作的可控点缺陷，能够有效阻止层缺陷在后续制作的器件功能层(外延层)中的扩展现象。

图① 无氢离子注入SiC半导体器件与氢离子注入SiC半导体器件中层缺陷扩展现象的比较

读者看到这里也许会疑问，产生氢离子的注入，会不会损伤SiC的晶体结构，使得SiC功率半导体器件的电学特性变差？事实上他们研究团队也曾经担心过这方面的问题。不过，他们通过将氢离子注入工艺过程，放在SiC功率半导体器件制作流程中的铝(Al)离子注入过程之前、经过铝离子注入过程之后的高温退火流程，这个问题就迎刃而解了，原来高温退火过程不仅恢复了氢离子注入引起的晶体损伤，而且固着了氢离子注入部分的点缺陷，并且得到了与不进行氢离子注入的半导体器件相同的电学特性。

图② 氢离子注入置于铝离子注入之前，退火过程可有效解决氢离子注入对SiC晶格结构的损伤问题

研究小组将用氢离子注入法制作的SiC功率半导体器件与传统工艺制作的SiC功率半导体器件进行了效果对比试验。电致发光(EL)图像表明，传统工艺制作的二极管确认了大量变暗的区域，而且区域越来越大；而在通过氢离子注入法制作的SiC功率半导体器件中未观察到这种现象。这说明氢离子注入法已经有效地遏制了层缺陷扩展的进程。

图③ 无氢离子注入SiC功率半导体与氢离子注入SiC功率半导体器件的层缺陷扩展现象的比较

研究小组认为，这项成果将有效地解决SiC功率半导体器件的双极性劣化难题，提高SiC功率半导体器件的可靠性，降低生产成本。有望给渴望得到长期高可靠性电子器件的汽车电子领域送去一股春风。