SiC IGBT的机遇与挑战

n沟道SiC IGBT的制备

从SiC IGBT的发展轴线图，我们可以看到SiC n-IGBT有着优的动静态性能，其需要高掺杂p型集电极作为空穴注入层。然后商用p型衬底的电阻率很高，质量较劣，这限制了SiC n-IGBT的性能发挥。而在独立技术提出之后， 通过在n型衬底上生长出n-和p+来作为漂移层和集电极，使得n-IGBT得到进一步发展 。

作为 底层的p型外延层需要足够的厚度以及较高的掺杂浓度 来保证机械强度和串联寄生电阻。但是 在较厚的p型外延层中，掺杂浓度受薄欧姆接触的形成、生长速率、表面粗糙度和生长缺陷的限制 。同时，由于SiC的硬度和化学惰性，使得n型衬底很难去除，这也需要进一步的完善工艺。

缺陷，以及寿命增强

SiC晶片的质量直接决定了SiC IGBT器件的性能、可靠性、稳定性和产率，间接地影响制造成本。 SiC晶圆中的缺陷主要包括材料固有的缺陷，外延生长引起的结构缺陷，如微管、位错、夹杂和堆积等 (在之前我们聊Si基制造工艺时有涉及)。通过优化生长工艺和生长后处理工艺，使得这些缺陷被降到了合理的范围，这使得低压4H-SiC MOSFET器件得到商业化。而对于SiC IGBT来说，上述缺陷作为复合中心，大大降低了载流子的寿命， 高压SiC双极型器件需要很长的载流子寿命来降低导通压降 ，此外 ，载流子寿命也主导这导通压降和开关速度之间的折衷，所以需要进行寿命增强。

可以通过C+离子注入/退火、热氧化/退火或者是优化生长条件来降低影响载流子寿命的缺陷密度，但是这相对于10kV以上的SiC IGBT来说，这些措施还是足以满足，除此之外，寿命分布的不均匀性，不同缺陷密度之间的权衡，生长后产生的目标缺陷和新缺陷之间的权衡等等，都是阻碍SiC IGBT商业化的因素。

大尺寸、高质量材料和低缺陷密度外延生长工艺都是实现SiC IGBT的关键 。

SiC/SiO 2 界面性能

SiC 相比于Si IGBT的性能更优，但是还是使用SiO2来作为栅极的氧化层，带来了SiC/SiO2界面的新问题。SiC IGBT可以像Si基的一样较容易形成SiO2层，但是 在氧化的过程中，除了近界面陷阱外，还会引入额外的C簇，使得SiC/SiO2界面陷阱密度远大于Si/SiO2，导致SiC MOS的沟道迁移率大大降低。 引入氮是降低后退火中界面陷阱密度的有效方法，但是氮的引入造成了新的缺陷，造成了可靠性的问题。所以为了获得高质量的SiC/SiO2界面，就 需要完全去除剩余的C原子和近界面陷阱。

还有个主要的问题就是 氧化层的高电场 。在4H-SiC IGBT中，SiO2中的电场是SiC中的2.5倍，与Si IGBT相比，SiC IGBT中较高的临界电场使得SiO2的电场更高。有些研究使用高介电常数的介电体代替SiO2来降低栅绝缘层和SiC之间的电场比，但是新介质和SiC界面带偏置较低，其界面缺陷密度大，漏电流较大，虽然一定程度上提高了沟道迁移率，但是和现有大规模制造的兼容性以及在高压工况下的长期稳定性难以处理。

终端技术

为了保证SiC IGBT的高压，可靠和坚固的终端是必须的，终端能够保证器件能够支持大于90%的整体击穿电压。 结端扩展(JTE) 和 场限环(FLRs) 是目前SiC IGBT的两种主要终端技术。 为了缓解边缘电场效应，SiC IGBT的终止长度要比Si基的长很多，终端面积占了整个芯片面积的50%以上，导致芯片面积较大。

精确控制注入剂量和优越的面积利用是JTE技术实现均匀电场的必要条件，因此JTE主要用于低压器件。而FLR技术主要用于高压器件，但其在高压器件中需要消耗很大的面积。针对这一问题， 提出了线性或区域优化距离的FLRs技术，缩短了30%的终止长度，增加了23%的击穿电压；以及JTE和FLR结合的JTE环技术，在相同的击穿电压减小了20~30%的终端面积。

封装技术

目前，SiC IGBT仍封装在线绑定的模块中，绑定线失效和焊料的失效是常见的寿命限制因素。此外， 超高压带来的电压击穿和局部放电给绝缘材料带来了更大的挑战 。导体、介电体和封装体间的交点是暴露于高电场下的薄弱点，因此需要选用高击穿电场的材料、光滑的电极及电极间隙，这些都需要大量的研究，同时绝缘层介电常数高导致的额外位移电流，处理的复杂性和模块尺寸增大等问题也是挑战。

另外， 提高模块的耐温能力，降低模块的热阻等也是尤为重要的 ，这些都还需要不断的创新。目前的纳米银烧结，双面冷却等技术可能能够解决部分SiC IGBT模块的需求，但还不足够。

新的IGBT结构

尽管SiC IGBT在阻断电压、导热系数和开关速度等方面优于Si IGBT，但是传统的IGBT结构一定程度上限制了SiC材料性能的发挥。为了提高SiC IGBT的电气性能和可靠性，新型IGBT结构在正在不断的发展。