名古屋理工學(xué)院加藤正史領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)為4H-SiC的一個(gè)緊迫問題——由4H-SiC晶體中的層錯(cuò)擴(kuò)展引起的雙極性退化——找到了一個(gè)可行的解決方案。

他們提出了一種稱為“質(zhì)子注入”的故障抑制技術(shù)，當(dāng)在器件制造工藝之前應(yīng)用時(shí)，該技術(shù)可以防止4H-SiC半導(dǎo)體晶片中的雙極性退化。 

通常，晶體結(jié)構(gòu)中的小位錯(cuò)隨著時(shí)間的推移成長(zhǎng)為稱為“單一Shockley堆積缺陷”的大缺陷，這種缺陷會(huì)逐漸降低性能并導(dǎo)致器件失效。盡管存在一些緩解這一問題的方法，但它們使器件制造過程更加昂貴。

加藤正史這項(xiàng)研究的方法是質(zhì)子注入，它涉及使用粒子加速器將氫離子注入襯底。通過在晶體中釘住部分位錯(cuò)來防止形成單一的Shockley層錯(cuò)，這是引入質(zhì)子雜質(zhì)導(dǎo)致的。然而，質(zhì)子注入本身會(huì)損壞4H-SiC襯底，因此高溫退火被用作修復(fù)該損傷的額外處理步驟。

他表示，“即使在最近開發(fā)的碳化硅外延晶片中，雙極性退化仍然存在于襯底層中。我們希望幫助業(yè)界應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，找到開發(fā)可靠碳化硅器件的方法，因此，決定研究這種消除雙極性退化的方法。”

該研究團(tuán)隊(duì)希望驗(yàn)證在器件制造工藝，也包括高溫退火步驟，之前應(yīng)用質(zhì)子注入是否有效。他們?cè)?H-SiC晶片上施加了不同劑量的質(zhì)子注入，并用它們制造了PiN二極管。

之后，通過分析二極管的電流-電壓特性，并將它們與沒有質(zhì)子注入的常規(guī)二極管進(jìn)行了比較，他們拍攝了二極管的電致發(fā)光圖像，以檢查堆疊故障是否已經(jīng)形成。

他們的結(jié)果表明，經(jīng)過質(zhì)子注入的二極管表現(xiàn)與常規(guī)二極管一樣好，但沒有雙極退化的跡象。低劑量質(zhì)子注入導(dǎo)致的二極管電流-電壓特性的惡化并不顯著。然而，單個(gè)Shockley層錯(cuò)的擴(kuò)展受到了顯著的抑制。

Kato說：“雖然質(zhì)子注入有額外制造成本，但與鋁離子注入產(chǎn)生的成本類似，而鋁離子注入目前是制造4H-SiC功率器件的關(guān)鍵。隨著注入條件的進(jìn)一步優(yōu)化，有可能將這種方法應(yīng)用于基于4H-SiC的其他類型器件的制造。”

研究人員希望，這些發(fā)現(xiàn)將有助于實(shí)現(xiàn)更可靠、更具成本效益的碳化硅器件，從而降低動(dòng)力牽引和電動(dòng)汽車的能耗。

(來源:PSD功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)）