碳化硅 （SiC） 寬禁帶半導(dǎo)體材料是目前電力電子領(lǐng)域發(fā)展最快的半導(dǎo)體材料之一。絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 是全控型的復(fù)合器件，具有工作頻率高、開關(guān)損耗低、電流密度大等優(yōu)點(diǎn)，是高壓大功率變換器中的關(guān)鍵器件之一。但 SiC IGBT 存在導(dǎo)通電阻高、關(guān)斷損耗大等缺點(diǎn)。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有的新型 SiC IGBT 結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總結(jié)。分析了現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合新能源電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，對(duì) SiC IGBT 的結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)行了歸納和展望。 ? ? ?

1、引言

功率半導(dǎo)體技術(shù)作為微電子器件領(lǐng)域的重要分支，在綠色能源、航天、交通運(yùn)輸和電力傳輸?shù)确矫嬗兄鴱V泛的應(yīng)用，并對(duì)人們的生產(chǎn)生活方式產(chǎn)生了十分深刻的影響。目前，功率半導(dǎo)體技術(shù)水平的高低已成為一個(gè)國家科技發(fā)展水平和綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)，因此當(dāng)今世界各國特別是發(fā)達(dá)國家都把該技術(shù)作為科技發(fā)展的重中之重。半導(dǎo)體器件自身性能與其所使用的材料密切相關(guān)。在半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程中，人們習(xí)慣于把硅（Si）、鍺（Ge）等材料稱為傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，將砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）等稱為窄禁帶半導(dǎo)體材料，將碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）和氮化鋁（AlN）等稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料 Si 和窄禁帶半導(dǎo)體材料 GaAs 相比，SiC 材料具有帶隙寬（是 Si 的 2.9 倍）、臨界擊穿電場高（是 Si 的 10 倍）、熱導(dǎo)率高（是 Si 的 3.3 倍）、載流子飽和漂移速度高（是Si 的 1.9 倍）以及化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性極佳等特點(diǎn)，是制造新一代高溫、大功率電力電子和光電子器件的理想材料。在具備相同擊穿電壓的情況下，SiC 基功率器件的導(dǎo)通電阻只有 Si 器件的 1/200，極大地降低了變換器的導(dǎo)通損耗，這使得 SiC 材料在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。另外，SiC 器件的散熱效率高，能大幅降低器件外圍冷卻設(shè)施的體積和重量，因此，SiC 功率器件也被稱為綠色能源革命中的核心器件。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，SiC 在材料生長與器件制備等方面都取得了長足的進(jìn)展，其商品化水平不斷提高。進(jìn)一步推動(dòng) SiC 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程、擴(kuò)大 SiC 功率器件市場份額已成為寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域的重要研究課題。

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率半導(dǎo)體全控型器件，集功率 MOSFET 的高速性能與雙極型器件的高增益于一體，具有輸入阻抗高、電壓控制功耗低、控制電路簡單、驅(qū)動(dòng)功率小、通態(tài)電阻低等特性，廣泛應(yīng)用在新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、綠色能源等領(lǐng)域。SiC 基 IGBT 較 Si 基 IGBT 具有高耐壓、高功率的特點(diǎn)，然而其在發(fā)展過程中也遇到較大的挑戰(zhàn)，如導(dǎo)通特性較差、電導(dǎo)調(diào)制不強(qiáng)、關(guān)斷速度較慢等。為解決以上問題，新型結(jié)構(gòu)的 SiC 基 IGBT 結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

本文概述了 SiC IGBT 的發(fā)展歷程，梳理了 P 溝道 SiC IGBT 和 N 溝道 SiC IGBT 的經(jīng)典器件，總結(jié)了SiC IGBT 的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

2 、SiC IGBT 發(fā)展歷程

通常來講，全控型半導(dǎo)體器件可以依照其導(dǎo)通狀態(tài)下的載流子類型分為單極型半導(dǎo)體器件和雙極型半導(dǎo)體器件，在每一類中又可以分為電流控制型和電壓控制型。

在較低阻斷電壓的應(yīng)用中，大多使用單極型半導(dǎo)體器件。最常用的單極型半導(dǎo)體器件是金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），目前利用 SiC 材料制 備 溝 槽 柵 MOSFET （UMOSFET） 或 者 雙 注 入MOSFET（DMOSFET 或 DiMOSFET）已經(jīng)有大量的報(bào)道。雖然使用 SiC 材料可以使臨界電場增加，但隨著阻斷電壓的提高，單極型半導(dǎo)體器件的漂移區(qū)電阻不可避免地迅速增加，導(dǎo)通壓降也隨之增加。因此在更高電壓的應(yīng)用中，單極型半導(dǎo)體器件往往難以勝任。

雙極型半導(dǎo)體器件同樣具有厚的漂移區(qū)，與單極型半導(dǎo)體器件不同，對(duì)于雙極型半導(dǎo)體器件，如IGBT、柵控晶閘管（GTO）和電力晶體管（GTR），在導(dǎo)通狀態(tài)下，少數(shù)載流子會(huì)注入到漂移區(qū)中，形成漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制現(xiàn)象，提高了漂移區(qū)的導(dǎo)電能力，降低了器件的導(dǎo)通壓降。然而這些少數(shù)載流子在關(guān)斷過程中需要被去除，又導(dǎo)致了大的關(guān)斷損耗，因此 GTO 等器件只適用于對(duì)開關(guān)頻率要求不高的高阻斷電壓應(yīng)用中。目前 SiC GTO 和 SiC GTR 也有相當(dāng)多的報(bào)道。

GTO 和 BJT 的開啟和關(guān)斷依賴柵極或基極的控制，這一弱點(diǎn)使電路設(shè)計(jì)者需要為其設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。為了解決這一問題，Baliga 提出了 IGBT 的概念，其兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，并逐步發(fā)展出了多種 IGBT 結(jié)構(gòu)。近年來，由于各項(xiàng)工藝的進(jìn)步，越來越多的研究小組參與到 SiC IGBT 的研究中。

SiC IGBT 的發(fā)展歷程較短，國內(nèi)外 SiC IGBT 部分發(fā)展歷程如圖 1 所示，1996 年，RAMUNGUL 等人制作出了第一個(gè)溝槽結(jié)構(gòu)的 6H-SiC IGBT，通過該器件驗(yàn)證出在相同的漂移層厚度下，SiC IGBT 的最大電流密度比 SiC MOSFET 高十倍左右。1999 年，SINGH等人制作出了第一個(gè) 4H-SiC P 溝道溝槽型 IGBT，在室溫下其導(dǎo)通電阻為 32 Ω·cm2，該器件設(shè)計(jì)阻斷電壓為 790 V，但由于沒有解決寄生 NPN 晶體管的高增益問題，其在 85 V 時(shí)便被擊穿。之后的 SiC IGBT 基本使用 4H-SiC 制作，因?yàn)橄啾扔谄渌偷?SiC，4H-SiC 擁有較高的熱導(dǎo)率，而且其電子遷移率各向異性弱，遷移率更高。同時(shí)從單晶襯底角度看，4H-SiC 的施主雜質(zhì)濃度更高，這意味著器件的電阻率也更低。2005 年，ZHANG 等人首次制作出 10 kV N 溝道溝槽型 IGBT，其在室溫下比導(dǎo)通電阻為 17 mΩ·cm2。在SiC IGBT 器件研究歷程的前期，研究多是集中在 P 溝道的 SiC IGBT，原因是相比于 N 型的襯底，P 型襯底的電阻率更低且缺陷更多。隨著研究的不斷深入，SiC IGBT 的性能也逐步提升，導(dǎo)通電阻更是呈現(xiàn)不斷進(jìn)步的趨勢，2007 年，ZHANG 等人引入電荷存儲(chǔ)層（CSL），在消除 JFET 效應(yīng)的同時(shí)增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使制作出的器件導(dǎo)通電阻進(jìn)一步降低，該器件阻斷電壓為7.5 kV，在室溫下其比導(dǎo)通電阻約為 26 mΩ·cm2。2010 年，WANG 等人在獨(dú)立 4H-SiC 外延片上使用翻轉(zhuǎn)工藝在 Si 面上生長 P 型集電區(qū)，制作出了 N 溝道平面型 IGBT，該器件的漂移區(qū)厚度為 180 μm，其阻斷電壓為 20 kV，在 300 W/cm2?的功率密度下，電流密度可達(dá)到 27.3 A/cm2。2013 年，YONEZAWA 等人在翻轉(zhuǎn)工藝的基礎(chǔ)上采用翻轉(zhuǎn)注入外延的方法制作出了帶有 CSL 的 N 溝道平面型 IGBT，該器件阻斷電壓可達(dá) 16 kV，電流密度為 100 A/cm2?時(shí)，正向?qū)妷簽? V。2014 年，HINOJOSA 等人利用 N 型襯底制備出了阻斷電壓為 20 kV 的 N 溝道平面型 IGBT，該器件的比導(dǎo)通電阻為 28 mΩ·cm2。2018 年，YANG 等人研制出國內(nèi)首個(gè) 12 kV N 溝道平面型 IGBT，該器件在集電極電壓為 12 kV 時(shí)，漏電流小于 10μA，當(dāng)正向?qū)娏髅芏葹?24 A/cm2 時(shí)，比導(dǎo)通電阻為 140 mΩ·cm2。2019 年，WEN 等人研制出國內(nèi)首枚 10 kV P 溝道平面型 IGBT，該器件采用六角形元胞設(shè)計(jì)并使用階梯空間調(diào)制型結(jié)終端拓展（SSM-JTE）終端結(jié)構(gòu)，在 300 W/cm2的功率密度下，其比導(dǎo)通電阻為 56.92 mΩ·cm2，同時(shí)在集電極電壓為-10 kV 時(shí)，其漏電流僅為 50 nA。2020 年，國家電網(wǎng)研制了國內(nèi)首枚 18 kV/12.5 A N 溝道 SiC IGBT。2022 年，楊曉磊等人在 N 型 SiC 襯底上制備了國內(nèi)首枚超 20 kV SiC N 溝道 IGBT 器件，該器件阻斷電壓為 20.08 kV 時(shí)，漏電流僅為 50 μA，當(dāng)柵電極施加 20 V 電壓、集電極電流為 20 A 時(shí)，器件的導(dǎo)通電壓為 6.0 V，此時(shí)器件的微分比導(dǎo)通電阻為27 mΩ·cm2。自此，國產(chǎn) SiC IGBT 的研究開始緊跟國際步伐。

3、SiC IGBT 的結(jié)構(gòu)與特性發(fā)展

IGBT 器件具有 P 溝道和 N 溝道兩種類型。P 溝道 IGBT 可以看作 P 溝道 MOSFET 和 NPN 型雙極型晶 體 管 的 混 合 ，N 溝 道 IGBT 可 以 看 作 N 溝 道MOSFET 和 PNP 型晶體管的混合。P 溝道與 N 溝道IGBT 結(jié)構(gòu)如圖 2 所示?？梢钥闯觯琋 溝道 IGBT 基本結(jié)構(gòu)與 P 溝道 IGBT 相同，摻雜類型與 P 溝道 IGBT反型。

3.1 P 溝道 SiC IGBT 器件結(jié)構(gòu)與特性

P 溝道 SiC IGBT 的率先發(fā)展源于高質(zhì)量 N 型摻雜 SiC 襯底的成熟應(yīng)用。因此，早期 SiC IGBT 器件研究重點(diǎn)為 P 溝道 IGBT 器件。由于早期高溫離子注入的工藝不成熟，P 溝道 IGBT 多采用溝槽柵結(jié)構(gòu)。SINGH 等人于 2003 年制備出了最早的 P 溝道槽柵4H-SiC 及 6H-SiC IGBT，P 溝道溝槽柵 IGBT 基本結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

SINGH 對(duì)器件在不同溫度下的性能進(jìn)行了測試，在室溫下（300 K），該器件閾值電壓約為-28 V，柵擊穿電壓約為-40 V，導(dǎo)通電壓約為-7.1 V，導(dǎo)通電流為20 mA 時(shí)，導(dǎo)通壓降約為-11.25 V，器件的漏-源擊穿電壓約為-85 V。較低的擊穿電壓預(yù)示著需要增加 P+緩沖層的厚度或者 P+ 緩沖層的摻雜。當(dāng)器件柵壓偏置在-32 V 時(shí)，室溫下其微分比導(dǎo)通電阻為 32.68 Ω·cm2；當(dāng)溫度上升至 350℃時(shí)，微分比導(dǎo)通電阻為 0.226 Ω·cm2。當(dāng)器件柵壓偏置在-34 V 時(shí)，在室溫下其微分比導(dǎo)通電阻為 66.7 Ω·cm2；溫度升高到 400 ℃時(shí)，器件表現(xiàn)出了較好的輸出特性，導(dǎo)通電流密度大幅上升，微分比導(dǎo)通電阻僅為 0.297 Ω·cm2。

隨著溫度的增加，器件具有更好的輸出特性，可能源于以下原因：①歐姆接觸電阻隨著溫度的增加而減?。虎谄骷叛趸瘜咏缑鎽B(tài)密度隨著溫度的增加而降低；③漂移區(qū)載流子壽命隨著溫度的增加而增加；④PN 結(jié)內(nèi)建電場隨著溫度的增加而減?。虎蓦s質(zhì)的激活率隨著溫度的增加而增加。在研究器件柵漏電的測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度超過 100 ℃時(shí)，器件出現(xiàn)了柵極漏電，該漏電會(huì)隨著發(fā)射極-集電極偏壓的增加而降低，這預(yù)示著在高溫下，槽柵結(jié)構(gòu) IGBT 器件在槽柵底部邊角處可能會(huì)存在漏電路徑。器件在不同溫度下的輸出特性曲線及柵極漏電情況如圖 4 所示。

SINGH 還比較了 400 ℃下溝道位于不同晶面上的器件的性能，結(jié)果顯示，在（1120）晶面上制備的器件的集電極電流大約比（1100）晶面上制備的器件高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)這一現(xiàn)象的解釋是 SiC-SiO2?表面的碳簇會(huì)影響表面質(zhì)量，進(jìn)而造成界面態(tài)密度的增加，導(dǎo)致溝道載流子遷移率的下降，（1120） 表面碳原子相比于（1100） 面上更少，也許是導(dǎo)致高遷移率的原因。SINGH 的工作沒有使用有效的終端技術(shù)，導(dǎo)致阻斷電壓（85 V）遠(yuǎn)低于理論值（約 3600 V）。柵氧化層退火工作的缺失也導(dǎo)致溝道載流子遷移率的低下，進(jìn)而導(dǎo)致器件溝道電阻的增加。P 發(fā)射極歐姆接觸特性也有待提高，質(zhì)量較低的歐姆接觸導(dǎo)致了較高的正向壓降，但槽柵結(jié)構(gòu)以及（1120）溝槽晶面的選擇為后續(xù)溝槽柵IGBT 器件的研究提供了思路。然而溝槽柵 IGBT 的柵氧化層擊穿等問題導(dǎo)致器件的可靠性較低，隨著高溫離子注入技術(shù)的解決，研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了平面柵IGBT 上。

2006 年，ZHANG 等人第一次制備了平面柵 P溝道 IGBT。采用 JFET 區(qū)注入制備的 SiC P 溝道IGBT 如圖 5 所示，器件元胞大小為 29 μm，使用高質(zhì)量的 N 型襯底，外延生長 2 μm 的 P 型緩沖層，摻雜濃度為 1×1017?~2×1017?cm-3，之后生長 50 μm 摻雜濃度為2×1014~6×1014?cm-3?的 P 型外延層。N 阱和 P 型發(fā)射極分別使用氮（N）和鋁（Al）離子注入形成，相鄰 N 阱之間的 JFET 區(qū)利用離子注入降低了 JFET 電阻，注入濃度為 1×1016?~2×1016?cm-3，器件使用離子注入形成的場環(huán)作為終端保護(hù)，離子注入激活溫度約為 1700 ℃。使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）厚度約為1 μm 的場氧化層，柵介質(zhì)層通過熱氧化形成，厚度為40~60 nm，經(jīng)過濕氧再氧化后，再在一氧化氮（NO）環(huán)境下退火，保證柵氧化層質(zhì)量。器件的 N 型歐姆接觸使用 Al/Ni 作為接觸金屬，P 型歐姆接觸使用 Ni 作為接觸金屬，Ti/Au 作為背金屬，整個(gè)器件有源區(qū)面積約為 4.5 mm2。

平面柵 IGBT 阻斷特性曲線如圖 6（a）所示，在柵壓為 0 V 時(shí)，阻斷電壓約為 5.8 kV，此時(shí)漏電流密度小于 0.02 mA/cm2。柵壓為-30 V 時(shí)，25 ℃下，微分比導(dǎo)通電阻約為 570 mΩ·cm2，沒有表現(xiàn)出良好的輸出特性。不同溫度下器件輸出特性曲線如圖 6（b）所示，可以看 到，當(dāng)溫度為 300 ℃時(shí)，比導(dǎo)通電阻下降為118 mΩ·cm2。比導(dǎo)通電阻隨溫度的增加而減小的主要原因是載流子壽命的增加，測試結(jié)果顯示，室溫下雙極型載流子壽命約為 370 ns，導(dǎo)致器件的電導(dǎo)調(diào)制效率很低，導(dǎo)通電阻較大。溫度提高后，漂移區(qū)雙極型載流子壽命增加，使導(dǎo)通電阻大大減小。類似結(jié)構(gòu)的PMOSFET 器件載流子遷移率測試結(jié)果顯示，溝道載流子遷移率峰值為 2.35 cm2/(V·s)。遷移率低的原因一是通過離子注入形成的 P 型溝道的低遷移率特性，二是 SiO2/SiC 表面的固定電荷。該器件的閾值電壓僅為-12 V，滿足了工業(yè)界-20 V 以內(nèi)閾值電壓的要求。

ZHANG 還對(duì)器件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了測試。導(dǎo)通狀態(tài)下，柵壓偏置為-27 V 時(shí)，集電極電流為 0.75 A，集電極電壓偏置為-400 V，將器件關(guān)斷用時(shí)約為750 ns；當(dāng)溫度上升至 130 ℃時(shí)，器件的雙極型載流子壽命由 370 ns 上升至約 1.1 μs，關(guān)斷用時(shí)大大增加。開關(guān)特性測試結(jié)果顯示，器件的開啟時(shí)間要遠(yuǎn)高于關(guān)斷時(shí)間，這是由于器件具有高的密勒電容。ZHANG 指出，將 JFET 區(qū)雙極型載流子壽命提高到 2 μs 以上、溝道遷移率提高到 10 cm2/(V·s)以上時(shí)，可以獲得較低的比導(dǎo)通電阻。該工作是對(duì) P 溝道平面柵 IGBT 的首次探索，其使用離子注入的方法制作出 N 阱和 P 發(fā)射區(qū)，并實(shí)現(xiàn)了平面柵 IGBT 的制作，同時(shí)利用離子注入降低 JFET 區(qū)域的電阻，并指出了雙極型載流子壽命對(duì)器件輸出特性的重要性，分析了溝道遷移率較低的原因，為之后的平面柵 IGBT 的制作提供了參考。

2013 年，KATAKAMI 等人制備了高溝道載流子遷移率的 P 溝道 IGBT，最大載流子遷移率達(dá)到了13.5 cm2/ (V·s)。P 溝道 SiC IGBT 器件結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。器件以 N 型摻雜作為襯底，器件外延層包括一個(gè)76 μm 厚、摻雜濃度為 1.2×1014?cm-3?的 P 型漂移層和一個(gè) 2.5 μm 厚、摻雜濃度為 1.8×1017?cm-3?的 P 型緩沖層，用以阻斷 12 kV 的電壓。器件漂移區(qū)載流子壽命為0.8~1.6 μs，使用 2 個(gè)注入集成方案的 JTE 作為終端保護(hù)。器件單元長度、溝道長度和 JFET 區(qū)長度分別是15 μm、1.5 μm 和 3 μm。

為 了 探 尋 最 合 適 的 柵 氧 化 層 形 成 方 法 ，KATAKAMI 比較了采用不同柵氧化層退火方法的器件的特性。作者制備了 3 個(gè) MOSFET 器件，經(jīng)過1200 ℃干氧氧化形成柵氧化層，之后在 950 ℃或1100 ℃下進(jìn)行濕氧二次氧化 （樣品 1、2），或者在1200 ℃下進(jìn)行一氧化二氮（N2O）退火（樣品 3）。結(jié)果顯示，在相同的柵壓下，采用 1100 ℃濕氧再氧化的方法制成柵氧化層的器件（樣品 2）具有最高的溝道遷移率，為 14.7 cm2/(V·s)，同時(shí)擁有最大的溝道電流，其在25 ℃下阻斷電壓大約為 10.2 kV，漏電電流密度為1 μA/cm2，器件的微分比導(dǎo)通電阻為 24 mΩ·cm2。1100 ℃下進(jìn)行濕氧再氧化退火的器件比在 950 ℃進(jìn)行濕氧再氧化退火的器件導(dǎo)通特性更好。采用 N2O 對(duì)柵氧化層進(jìn)行退火的器件具有較低的載流子遷移率和溝道電流。

KATAKAMI 還比較了工作在不同溫度下、通過1100 ℃濕氧二次氧化柵進(jìn)行退火的器件的一些特性，SiC P 溝道 MOSFET 器件輸出特性曲線如圖 8（a）所示，閾值電壓及溝道載流子遷移率與溫度的關(guān)系如圖8（b）所示，隨著溫度的提高，閾值電壓的絕對(duì)值發(fā)生輕微的下降，溝道載流子遷移率隨溫度先輕微上升，之后下降。KATAKAMI 的工作主要針對(duì)器件的溝道遷移率，作者分析了不同的柵氧化層形成方法，且分析了器件閾值電壓和溝道載流子遷移率隨溫度變化的關(guān)系，為后續(xù)溝道遷移率的提升提供了有效渠道。

2019 年，WEN 等人制作出 10 kV P 溝道 IGBT，該器件使用六角形元胞設(shè)計(jì)和 SSM-JTE 終端結(jié)構(gòu)，10 kV P 溝道 IGBT 器件結(jié)構(gòu)如圖 9（a）所示，SSM-JTE結(jié)構(gòu)如圖 9（b）所示。由于平面型器件制作工藝較為簡單且可以保證較高的柵氧化層可靠性，因此該器件使用平面柵結(jié)構(gòu)。整個(gè)器件的外延生長都是在一個(gè)晶軸偏 4°角、350 μm 厚的 4 英寸 4H-SiC 襯底片上。首先生長一層 2 μm 厚、摻雜濃度為 2×1017?cm-3?的 P 型緩沖層，之后繼續(xù)生長 100 μm 厚、摻雜濃度為 2×1014?cm-3的 P 型漂移區(qū)。漂移區(qū)的載流子少子壽命為 1.2 μs。為保證柵氧化層的可靠性，同時(shí)盡可能地提升器件的通態(tài)特性，在條形元胞中 JFET 區(qū)域的寬度設(shè)計(jì)為10 μm，六角形元胞中 JFET 區(qū)域的寬度設(shè)計(jì)為 8 μm。這樣可以保證在阻斷電壓為 10 kV 的情況下，兩種元胞的柵氧化層電場強(qiáng)度均小于 4.5 MV/cm。考慮到器件制作過程中摻雜的激活率問題，器件的 SSM-JTE 的寬度設(shè)計(jì)為 530 μm，這樣可以保證足夠?qū)挼墓に嚧翱凇Ｍ瑫r(shí)，為降低器件開啟時(shí)的電阻，該器件使用自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)制作溝道，所制作出來的器件有源區(qū) 為2.25 mm2，整個(gè)器件為 3 mm×3 mm。

使用不同終端結(jié)構(gòu)的六角形元胞器件阻斷特性曲線如圖 10 所示，在阻斷電壓為-10 kV 的情況下，寬度為 200 μm 的雙 JTE 結(jié)構(gòu)和寬度為 500 μm 的雙JTE 結(jié) 構(gòu) 漏 電 流 分 別 為 970 nA 和 590 nA，而SSM-JTE 結(jié)構(gòu)的漏電流僅為 50 nA，原因?yàn)?SSM-JTE結(jié)構(gòu)內(nèi)部的環(huán)可以消除電場擁擠現(xiàn)象，從而降低漏電流。

使用條形元胞設(shè)計(jì)和六角形元胞設(shè)計(jì)的器件輸出特性曲線如圖 11 所示。可以看出，與仿真數(shù)據(jù)相比，實(shí)際制作出來的器件導(dǎo)通電阻偏大，其主要原因?yàn)橐韵?3 點(diǎn)：（1）在界面處，表面復(fù)合降低了雙極型載流子的壽命；（2）源區(qū)的歐姆接觸電阻較高，因而產(chǎn)生了較高的壓降；（3）緩沖層和發(fā)射層所形成的 PN 結(jié)注入效率較低。根據(jù)輸出曲線可知，條形元胞和六角形元胞設(shè)計(jì)的器件，在 300 W/cm2?的條件下，輸出電流分別為34.2 A/cm2?和 38.9 A/cm2。六角形元胞設(shè)計(jì)的器件性能優(yōu)于條形設(shè)計(jì)，其原因?yàn)榱切谓Y(jié)構(gòu)的寬長比為 4.1×105，而條形結(jié)構(gòu)的寬長比為 2.9×105。該工作比較了條形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與六角形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輸出特性，為以后的器件元胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考；同時(shí)，在終端中使用的 SSM-JTE 結(jié)構(gòu)也在阻斷狀態(tài)下大幅降低了器件的漏電流，這表明與雙 JTE 結(jié)構(gòu)相比，SSM-JTE 更適用于高壓器件之中。

自 2002 年 SINGH 等人制作出第一個(gè) P 溝道 SiC槽柵 IGBT 以來，科研人員對(duì)于 P 溝道 SiC IGBT 的研究已走過二十個(gè)年頭，器件結(jié)構(gòu)的研究重點(diǎn)也由溝槽柵逐漸轉(zhuǎn)換為平面柵，這是工藝的逐步成熟與器件性能需要的共同選擇（高溫離子注入技術(shù)問題得到了解決，同時(shí)平面柵結(jié)構(gòu)的柵氧化層可靠性更高），針對(duì)平面柵 IGBT 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，科研人員做出了以下優(yōu)化：引入自對(duì)準(zhǔn)源區(qū)注入方法，在器件中實(shí)現(xiàn)了窄溝道，使器件表現(xiàn)出較好的導(dǎo)通特性和高溫穩(wěn)定性；針對(duì)平面柵 SiC IGBT 中難以產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制的 JFET 區(qū)域，采用CSL 結(jié)構(gòu)代替 JFET 區(qū)的離子注入，在降低 JFET 電阻的同時(shí)避免了離子注入的不利影響，還通過抑制 NPN晶體管提高了 P+ 發(fā)射極的注入效率。其他一些因素對(duì)器件特性的影響同樣重要，如少數(shù)載流子的壽命、溝道遷移率、器件元胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與終端設(shè)計(jì)等，作者認(rèn)為，相關(guān)的研究對(duì)以后的器件制備將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在對(duì) P 溝道 SiC IGBT 進(jìn)行探索的過程中，科研人員還發(fā)現(xiàn)相比于 N 溝道 SiC IGBT，P 溝道 SiC IGBT擁有更好的阻斷特性，且在高溫下導(dǎo)通特性更好。相信未來 P 溝道 SiC IGBT 將在相應(yīng)的領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

3.2 N 溝道 SiC IGBT 的研究、制備

由于 N 溝道 IGBT 需要高質(zhì)量的 P 型襯底，P 型襯底這些年來一直發(fā)展較慢，在一定程度上延緩了SiC N 溝道 IGBT 器件的發(fā)展。然而，由于電子相對(duì)空穴具有較高的遷移率，能夠帶來更低的導(dǎo)通壓降，同時(shí) N 溝道 IGBT 具有與現(xiàn)有電力電子系統(tǒng)兼容的特性，因此 N 溝道 IGBT 器件的研究具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。

2008 年，DAS 等人制備了第一個(gè) 13 kV N 溝道IGBT，其結(jié)構(gòu)如圖 12 所示，器件在使用高質(zhì)量 p型襯底的基礎(chǔ)上制備，JFET 區(qū)進(jìn)行 N 注入實(shí)現(xiàn)更高的摻雜，離子注入退火溫度為 1600 ℃以上，使用 Si 壓抑制表面重構(gòu)和 Si 原子蒸發(fā)，場氧厚度為 0.8 μm，柵氧化層厚度為 50 nm，使用熱氧化的方式生長，在 NO 環(huán)境下退火。經(jīng)測試顯示，該器件的開啟電壓大約為 3 V，微分比導(dǎo)通電阻約為 22 mΩ·cm2，器件阻斷電壓達(dá)到了 13 kV，不同溫度下器件的輸出特性如圖 13（a）所示，隨著溫度的上升，器件的導(dǎo)通特性下降，跨導(dǎo)降低。器件的開啟電壓隨溫度的上升而略微增加，不同溫度下器件的阻斷特性如圖 13（b）所示，阻斷電壓隨溫度的上升而略有下降，但在 200 ℃的溫度下依然能夠阻斷超過 10 kV 的電壓。該器件表現(xiàn)出了良好的導(dǎo)通特性，但動(dòng)態(tài)特性稍有不足，電壓上升的時(shí)延較長，這表明該器件柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問題，需進(jìn)一步完善相關(guān)結(jié)構(gòu)。

2014 年，YONEZAW 等人制備了翻轉(zhuǎn)型注入外延 N 溝道 SiC IGBT，其基本結(jié)構(gòu)如圖 14 所示。器件使用 N 型襯底，在（0001）面上依次生長 N型緩沖層，150 μm 厚的 N型漂移區(qū)，N+ 緩沖層，P+ 集電極區(qū)；翻轉(zhuǎn)器件后去除 N型襯底和 N型緩沖層，并生長 N型CSL 層。離子注入形成 P 阱底部后進(jìn)行 P 型外延生長，注入形成 N型 JFET 區(qū)、P+ 基區(qū)以及 N+ 源區(qū)。器件的終端由兩個(gè) box 的 JTE 形成，總長度為 750 μm。柵氧化層經(jīng)過干氧氧化后在富 N 環(huán)境下退火形成。器件元胞大小為 14.8 μm，器件尺寸為 8 mm×8 mm，器件有源區(qū)面積大小為 0.37 cm2。測試結(jié)果顯示，在柵壓為0 V 時(shí)，器件達(dá)到了 16 kV 的阻斷電壓，導(dǎo)通電流分別為 20 A 和 60 A 時(shí)，正向壓降分別為 4.8 V 和 7.2 V，微分比導(dǎo)通電阻為 23 mΩ·cm2，器件開啟電壓約為4.8 V。在可靠性方面，器件的閾值電壓穩(wěn)定性如圖15（a）所示，器件在柵壓分別為-30 V 和 30 V 兩種情況下，經(jīng)過 1000 s 的老化測試，閾值電壓依然保持穩(wěn)定，最大閾值電壓偏移在 0.1 V 以內(nèi)。不同溫度下器件的輸出特性如圖 15（b）所示，結(jié)果顯示器件的輸出特性具有良好的溫度穩(wěn)定性。

YONEZAW 很好地制備出 16 kV N 溝道 IGBT，但其方法十分復(fù)雜，所需外延及離子注入工序極多，有很大的制備難度。目前有關(guān) N-IGBT 成功制備的報(bào)道并不是很多，主要是因?yàn)楦哔|(zhì)量的 P+ 襯底難以獲得，而采用翻轉(zhuǎn)外延生長的方式又會(huì)因?yàn)榫孢x擇和外延層質(zhì)量等因素存在影響器件性能的問題。

2022 年，楊曉磊等人制備出了一種耐壓超過 20 kV的超高壓 SiC N 溝道 IGBT，其基本結(jié)構(gòu)和制備方案分別如圖 16、17 所示。該團(tuán)隊(duì)通過在 N 型 4H-SiC 襯底上生長所需的關(guān)鍵外延層，包括 N漂移層、N+ 緩沖層以及 P+ 集電極層，采用 SiO2?作為各區(qū)域的注入掩模，使用多次離子注入形成 P 阱、P+ 區(qū)域和 N+ 區(qū)域；同時(shí)對(duì) JFET 區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)的 N 型離子注入，所有注入完成后在 1650 ℃的 Ar 環(huán)境下退火以激活注入離子。退火后，通過犧牲氧化去除表面碳層，濕法表面清洗后放入高溫氧化爐中進(jìn)行干氧氧化，形成柵氧化層。采用 NO 高溫退火技術(shù)，有效降低柵氧界面陷阱密度，最終將氧化層厚度控制在 50 nm 左右。在柵氧工藝完成后，通過在柵氧化層上沉積多晶 Si 實(shí)現(xiàn)柵電極的制作。采用氧化硅 / 氮化硅（SiO2/SiN）介質(zhì)實(shí)現(xiàn)柵極和發(fā)射極的隔離以及表面鈍化。發(fā)射極的歐姆接觸由金屬 Ni 實(shí)現(xiàn)，介質(zhì)孔刻蝕后通過加厚 Al 層完成發(fā)射極單胞之間的互聯(lián)。器件正面結(jié)構(gòu)完成后通過減薄 /背面研磨的方法去除 N 型襯底，保留部分 P+ 層，接著蒸發(fā)背面歐姆金屬，并使用激光退火完成背面的歐姆接觸。

超高壓 SiC N 溝道 IGBT 阻斷特性如圖 18（a）所示，該器件擊穿電壓可以達(dá)到 20 kV，當(dāng)集電極電壓為20.08 kV 時(shí)，漏電流為 50 μA。超高壓 SiC N 溝道IGBT 輸出特性如圖 18（b）所示，該器件在柵壓為20 V、集電極電流為 20 A 時(shí)，其微分比導(dǎo)通電阻為27 mΩ·cm2。

該團(tuán)隊(duì)還使用了長時(shí)間的高溫氧化工藝對(duì)器件進(jìn)行少子壽命的提升，通過高溫?zé)嵫趸^程，使得部分碳原子擴(kuò)散到體區(qū)并填補(bǔ)碳空位，消除 Z1/2 缺陷中心。高溫?zé)嵫趸幚砬昂蟪邏?SiC N 溝道 IGBT 的輸出特性如圖 19 所示，芯片 A 引入了載流子壽命提升工藝，芯片 B 未引入載流子壽命提升工藝。觀察發(fā)現(xiàn)，芯片 B 在柵極電壓為 20 V、集電極電流密度為70 A/cm2?的條件下，器件導(dǎo)通壓降為 16.2 V，引入載流子壽命提升工藝后，芯片 B 在同等測試條件下，其導(dǎo)通壓降降至 6.5 V，這一結(jié)果也恰好驗(yàn)證了載流子壽命的提升能有效提高 SiC N 溝道 IGBT 器件的導(dǎo)通能力。

該超高壓 SiC N 溝道 IGBT 器件在制備過程中通過引入高溫?zé)嵫趸妮d流子壽命提升技術(shù)，有效提高了其電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。且該器件在柵壓為 20 V、集電極電流為 20 A 時(shí)，其微分比導(dǎo)通電阻為 27 mΩ·cm2，進(jìn)一步縮小了與國際先進(jìn)器件之間的差距。

2022 年，WATANABE 等人對(duì) SiC IGBT 引入了盒式元胞布局，該布局在傳統(tǒng)的條形元胞布局的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，增強(qiáng)了器件的電導(dǎo)調(diào)制，降低了器件的通態(tài)損耗，小幅增加了器件的關(guān)斷損耗，N 溝道IGBT 器件結(jié)構(gòu)如圖 20 所示，條形元胞布局與盒式元胞布局如圖 21 所示。該器件基于 N 型的 SiC 襯底，生長 95 μm 厚的 N型漂移層，用來承受 10 kV 的阻斷電壓，再生長一層 N型的緩沖層，由于沒有可用的 P 型襯底，之后需要在緩沖層的下面外延生長一層高摻的 P型層作為器件的空穴注入層。接著將器件的 N型襯底去除，在器件漂移區(qū)的頂部制作表面結(jié)構(gòu)。

接著，WATANABE 討論了器件的靜態(tài)特性，盒式元胞布局的 IGBT 器件相比條形元胞布局在同樣的面積下具有更大的溝道寬度，這會(huì)增強(qiáng)器件源區(qū)的電子注入。另外，盒式元胞布局的 IGBT 器件的頂部 P+ 區(qū)域面積更小，這將抑制發(fā)射極的空穴泄漏，同時(shí)可以增強(qiáng)器件的電導(dǎo)調(diào)制。條形元胞布局和盒式元胞布局的 IGBT 器件的輸出特性對(duì)比如圖 22 所示，對(duì)于200 A/cm2?的電流密度，盒式元胞布局的 IGBT 器件和條形元胞布局的 IGBT 器件導(dǎo)通電壓分別為 6.5 V 和7.4 V，盒式元胞布局使導(dǎo)通電壓得到了降低。另外，盒式元胞布局的 IGBT 器件的特征微分比導(dǎo)通電阻為13 mΩ·cm2，該值比條形元胞布局的 IGBT 器件低了 35%。

隨后，WATANABE 分析了器件的動(dòng)態(tài)特性，盒式元胞布局的 IGBT 器件的關(guān)斷速度會(huì)比同樣條件下的條形元胞布局的 IGBT 器件略慢，并且關(guān)斷損耗會(huì)有輕微的增加。3.6 kV 和 125 A/cm2 的轉(zhuǎn)換條件下兩種元胞布局的 IGBT 器件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的關(guān)斷曲線如圖 23（a）所示，相比條形元胞布局的 IGBT 器件，盒式元胞布局的 IGBT 器件關(guān)斷速度從 13.8 kV/μs 降低到了 12.5 kV/μs，關(guān)斷損耗從 53.1 mJ/cm2?增加到了55.9 mJ/cm2。不同集電極電流下兩種元胞布局的 IGBT器件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的關(guān)斷損耗如圖 23（b）所示，即使在電流為 300 A/cm2?的轉(zhuǎn)換條件下，盒式元胞布局的 IGBT器件相比條形元胞布局的 IGBT 器件關(guān)斷損耗也只增加了 7%。盒式元胞布局提高了 IGBT 器件靠近發(fā)射極的漂移區(qū)載流子濃度，這部分載流子的抽取造成了器件的關(guān)斷速度降低和關(guān)斷損耗增加。

最后，WATANABE 討論了盒式元胞布局對(duì) IGBT器件閂鎖效應(yīng)的影響。相比于傳統(tǒng)的條形元胞布局，盒式元胞布局的 IGBT 器件 P 型體區(qū)和發(fā)射極電極的接觸面積更小，從而具有更大的接觸電阻，使得 IGBT器件更加不易發(fā)生閂鎖。300 A/cm2的狀態(tài)下盒式元胞布局的 IGBT 器件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的關(guān)斷曲線如圖 24 所示，器件在 300 A/cm2?的狀態(tài)下也沒有發(fā)生閂鎖效應(yīng)。

盒式元胞結(jié)構(gòu)與六角形元胞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路相同，相比于條形元胞分布，盒式元胞分布的溝道寬度更大，且該布局更易產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，因此盒式元胞布局的導(dǎo)通特性更好，該布局提升了器件靠近發(fā)射極的漂移區(qū)載流子濃度，故關(guān)斷時(shí)間更長，盒式元胞布局因其具有發(fā)射極更大的接觸電阻，同樣可以提升抗閂鎖能力。

相比于 P 溝道 SiC IGBT，N 溝道 SiC IGBT 發(fā)展較晚，這是由于 SiC 有低電阻率以及低缺陷密度的 N型襯底而缺少高質(zhì)量的 P 型襯底，在這些高電阻率和缺陷密度的 P 型 SiC 襯底上直接生長出來的 N 型 SiCIGBT 質(zhì)量很差。但是因?yàn)?SiC 材料電子的遷移率比空穴的遷移率高，理論上來說，N 溝道 SiC IGBT 將比P 溝道 SiC IGBT 具有更好的導(dǎo)通特性，所以科研工作者一直致力于高質(zhì)量 N 溝道 SiC IGBT 的研發(fā)。由于對(duì) N 溝道 SiC IGBT 的研究較晚，P 溝道 SiC IGBT 中已摸索的工藝如反向外延生長和自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)可直接使用到 N 溝道 SiC IGBT 中。但是對(duì)于 N 溝道 SiC IGBT 的動(dòng)態(tài)特性仍需要進(jìn)一步研究，無論是柵極與柵極驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還是關(guān)斷時(shí)電場的平緩度，都是未來器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用中需重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

4、結(jié)束語

本文從 P 溝道 SiC IGBT 和 N 溝道 SiC IGBT 發(fā)展歷史中的經(jīng)典器件入手，介紹了各種 SiC IGBT 器件的制作過程與相關(guān)性能，并就 SiC IGBT 的工藝優(yōu)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了報(bào)道，對(duì)比了 P 溝道 SiC IGBT和 N 溝道 SiC IGBT 的優(yōu)缺點(diǎn)。P 溝道 SiC IGBT 在阻斷能力與高溫下的導(dǎo)通能力具有明顯優(yōu)勢，而 N 溝道SiC IGBT 在常溫下的導(dǎo)通能力更具優(yōu)勢。SiC IGBT的結(jié)構(gòu)由溝槽型逐步變?yōu)槠矫嫘停@與相關(guān)工藝的進(jìn)步與平面型器件與生俱來的優(yōu)勢有關(guān)。平面型器件的JFET 區(qū)電阻較高，因此 CSL 應(yīng)運(yùn)而生，其在降低JFET 電阻的同時(shí)避免了離子注入的不利影響。除了傳統(tǒng)的元胞結(jié)構(gòu)外，六角形元胞結(jié)構(gòu)與盒式元胞結(jié)構(gòu)因其更高的寬長比更易獲得更好的導(dǎo)通能力。對(duì)于 SiCIGBT，終端結(jié)構(gòu)同樣重要，優(yōu)秀的終端結(jié)構(gòu)可以減緩電場的擁擠效應(yīng)，進(jìn)一步降低漏電流。

過去，對(duì) SiC IGBT 的研究主要集中在美國和日本，國內(nèi)起步較晚，但是在高壓大功率輸電、軌道交通等領(lǐng)域的大量應(yīng)用驅(qū)動(dòng)以及國家能源轉(zhuǎn)型和碳達(dá)峰等政策的指導(dǎo)下，近幾年中國的 SiC IGBT 研制取得了較好的成果和進(jìn)展。目前 SiC IGBT 的相關(guān)工作還是以器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真為主，解決器件制造的相關(guān)問題，制備出性能優(yōu)異的 SiC IGBT 器件將是未來該領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，業(yè)界針對(duì)器件集電區(qū)和發(fā)射極的結(jié)構(gòu)改進(jìn)已經(jīng)做了很多工作，但超結(jié) SiC IGBT 的設(shè)計(jì)相對(duì)較少，還有很大的研發(fā)空間；另外將 Si IGBT 的結(jié)構(gòu)借鑒到 SiC IGBT 也是 SiC IGBT 研發(fā)的重要思路，但是在借鑒的過程中要重點(diǎn)注意 Si 材料和 SiC 材料特性的差別，這對(duì)異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)等結(jié)構(gòu)與 SiC IGBT 的結(jié)合會(huì)產(chǎn)生重大影響。除此之外，能否引入新的物理機(jī)制以優(yōu)化 SiC IGBT器件的性能也是值得進(jìn)一步深入研究的課題。在實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型、推進(jìn)碳達(dá)峰與碳中和以及建立新型電力系統(tǒng)的重要應(yīng)用背景下，SiC IGBT 器件的研究前景十分光明，其研制與應(yīng)用一定會(huì)為社會(huì)和人類帶來更加節(jié)能與清潔的美麗世界。

編輯：黃飛

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