隨著功率領(lǐng)域?qū)π⌒突?、高頻、高溫、高壓和抗輻照特性的迫切需求，硅基功率器件達到了理論極限，第二代半導體材料砷化鎵(GaAs)，以及以碳化硅(SiC)半導體材料和氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石等寬禁帶半導體材料(禁帶寬度大于3.2eV)等為代表的第三代半導體材料紛紛登上半導體的舞臺。
與第一代半導體材料硅和第二代半導體材料砷化鎵相比，碳化硅材料具有帶隙寬(硅的2.9倍)、臨界擊穿電場高(硅的10倍)、熱導率高(硅的3.3倍)、載流子飽和漂移速度高(硅的1.9倍)和極佳的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等特點，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。在相同擊穿電壓的情況下，碳化硅基功率器件的導通電阻只有硅器件的1/200，極大地降低了變換器的導通損耗。據(jù)統(tǒng)計，若全國使用全碳化硅電力電子器件進行電能傳輸，每年可節(jié)省的電量相當于2個三峽水電站的發(fā)電量。根據(jù)美國科銳公司的研究，如果在全球范圍內(nèi)廣泛使用碳化硅功率器件，每年節(jié)能將達到350億美元。因此，碳化硅基功率器件將能夠大大降低能耗，滿足未來電力系統(tǒng)對電力電子器件耐高壓、低功耗的需求。
隨著碳化硅襯底、外延生長和工藝技術(shù)的不斷進展，中等阻斷電壓(600～1 700V)的碳化硅肖特基勢壘二極管(SBD)和功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)已經(jīng)逐步實現(xiàn)商業(yè)化。然而，人們對材料特性、材料缺陷對碳化硅功率器件性能以及可靠性的影響機制仍然缺乏足夠的了解，尤其是針對10kV以上的大容量碳化硅功率器件，通常需要碳化硅厚膜外延材料。高厚度、低缺陷的高質(zhì)量碳化硅同質(zhì)異型外延直接決定了碳化硅基電力電子器件性能的優(yōu)劣。其次，碳化硅基絕緣柵雙極晶體管(IGBT)面臨的最大挑戰(zhàn)是載流子遷移率低(10cm2/Vs)，只有碳化硅基MOSFET器件的1/10，比碳化硅體材料(1000cm2/Vs)低兩個數(shù)量級。載流子遷移率的高低決定著半導體器件的電導率與工作頻率，影響著器件的開關(guān)損耗和工作效率。
當前，碳化硅基功率器件面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的碳化硅基肖特基二極管，MOSFET等器件并不能有效地滿足實際應用需要，對IGBT器件的需求日益迫切，必須突破碳化硅基IGBT研究中的瓶頸問題，增加器件耐壓強度，提高溝道遷移率。針對這些核心技術(shù)難題，中國科學院半導體研究所的研究團隊從決定碳化硅基IGBT載流子遷移率的最基本科學規(guī)律入手，揭示載流子輸運機理、能帶結(jié)構(gòu)對準，生長出高質(zhì)量碳化硅厚膜外延材料和低界面態(tài)柵介質(zhì)層材料，研究與調(diào)控材料界面和表面，最終研制出具有高載流子遷移率和高阻斷電壓的碳化硅 IGBT器件。
實現(xiàn)高溫度、低缺陷碳化硅外延生長與原位摻雜技術(shù)
碳化硅厚外延的生長是高壓大容量IGBT器件研制的基礎(chǔ)之一，厚外延層、低背景載流子濃度是碳化硅器件耐擊穿的保證。為此，研究團隊對快速外延生長條件下的溫場和流場分布進行了研究，建立了碳化硅生長速率與工藝條件的內(nèi)在聯(lián)系，采用熱壁CVD反應生長室，提高碳化硅 CVD系統(tǒng)溫度場的均勻性;同時采用的低壓化學氣相沉積的方法可以調(diào)節(jié)反應氣體的流量、改變生長溫度等，進而增加碳化硅外延的生長速率，并保證恒定的碳與硅比例，使碳化硅外延在快速生長的同時，成分保持恒定。
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