器件经过高温（200）反偏、温度循环、功率循环、 温度和湿度试验。

四、 研究方法、技术路线和可行性分析
技术路线：
离子注入 退火技术 热氧化技术 欧姆接触 肖特基接触 …
器件的结 构设计
外延材 料生长
器件的研制
高性能 器件
器件结构 调整
工艺分析 和改进
器件的性能 测试及分析
四、 研究方法、技术路线和可行性分析
3 研究内容 二、 研究内容、拟解决的技术难点
拟解决的技术难点：
（1）器件的合理化设计。 （2）SiC的热氧化技术。 可靠性及失效机理研究。SiC材料的欧姆接触，SiO2/SiC界面 态，器件的导通、击穿和开关速度等特性的可靠性研究。② SiC
离子注入以及掺杂离子激活 在碳化硅器件研究中，掺杂注入要求在高温注入之后高温退火激活注入离子。对 于离子注入的最大深度、最高浓度分布状态以及标准偏差分布进行计算，在研究中 采用相应的注入能量、剂量，得到所需要的注入离子分布状态。与硅材料中掺杂离 子基本处于激活态不同，碳化硅材料中的掺杂离子一般条件下只有部分处于激活状 态，并且其激活的比率与多种因素直接相关。在碳化硅材料中的注入离子激活能比 较高，对于同一种离子，随着注入离子浓度、注入能量的不同，离子在不同条件下 激活之后可能产生不同的的深能级，形成不同导电类型的掺杂。因此，离子注入掺 杂激活机理的研究对于实现设计的掺杂目的是必不可少的。
3 研究内容 二、 研究内容、拟解决的技术难点
SiC电力电子器件的主要研究内容：
（1）SiC电力电子器件的器件物理研究。 包括SiC高压二极管及SiC-MOSFET晶体管的材料结构设计，器件的耐压 解析模型的建立，场板、场限环及结终端延伸等终端保护技术在器件上的应 用与设计，完善宽禁带SiC功率器件结构优化设计理论等。 （2）SiC电力电子器件制备的关键技术研究。 包括SiC材料的欧姆接触、肖特基接触的研究，SiC离子注入及退火技术 研究，SiC表面处理及高性能的氧化层制备技术研究，SiC材料的低损伤刻蚀 技术研究，及其各关键工艺技术的整合等内容。 （3）器件的可靠性及失效机理研究。 包括SiC电力电子器件反向漏电流机理研究，高温下SiC材料的欧姆接触、 肖特基接触、SiO2/SiC界面态、SiC器件的导通、击穿和开关速度等特性的 可靠性研究等。
• 研究场限环、结终端延伸等终端保护技术 对器件击穿特性的影响，包括场限环间距、 宽度、掺杂浓度、结深度等因素，以及结 终端延伸的长度、深度、浓度等因素对器 件内部电场分布的影响，获得合理的结终 端保护结构计，从而优化器件结构。
高速的开关性能、低导通 电阻 高速的开关性能
•2007年美国的Cree公司研制了SiC 10 kV /20 A的结势垒肖 特基二极管。 •已有商业化样品。
•2004 年，美国的Cree公司报道阻断电压高达10 kV，比导 通电阻为123 mΩ·cm2的4H-SiC DMOSFET。 •已有1200V /10、20 A的商业样品。 •2004年，美国Rutgers大学报道击穿电压为11kV、比导通 电阻为130mΩ·cm2的SiC-JFET器件。 •已有1200V和1800V、15A～30A的商业样品。 •2004年，美国Rutgers大学报道击穿电压为9.2 kV，比导通 电阻为33mΩ·cm2的的SiC BJT器件。 •已有1200V/6、20A的商业样品。 •2007年，Purdu大学研制了阻断电压高达20kV的SiC PIGBT。
•2003年，美国Rutgers大学报道了阻断电压超过10kV的4HSiC的肖特基器件，比导通电阻为97.5 mΩ·cm2。 •已商业化。
•2001年，利用结终端延伸技术，日本报道了耐压至 19.5kV 的 4H-SiC 的台面型 pin 二极管。
结势垒肖 特基器件 （JBS）
MOSFET
结合了pn结和肖特基结 构的优点，耐压和开关速 度介于两者之间
三、 研究目标、技术指标
研究目标：SiC功率整流器和功率开关的研制
技术指标： SiC 功率二极管，器件的阻断电压大于4500V，最高 正向导通电流不小于100A，开关频率不少于100kHz；

SiC 功率开关最高正向阻断能力不低于4500V，最高 正向导通电流不少于50A，开关频率不少于100kHz；
四 研究基础
中国科学院微电子研究所研究基础： 1. 在SiC器件的工艺方面的研究 已进行SiC材料的刻蚀、减薄工艺，器件的设计与制备等方 面的研究。
10 10 10 10
-2
0.0010
-3
0.0008
Current (A)
• •
•
•
不同Ni、Ti、Pt金属体系的 肖特基接触； 表面处理、肖特基金属退 火等技术对肖特基势垒的 影响研究； 关于肖特基接触可靠性的 高温存储研究； 肖特基二极管反向泄漏电 流的形成机理研究等。
宽禁带半导体电力电子器件 研究
中国科学院微电子研究所
主要内容
一、 二、 三、 四、 五、 国内外发展现状与趋势 研究内容、拟解决的技术难点和创新点 研究目标、技术指标 研究方法、技术路线和可行性分析 年度进展安排
一、 国内外发展现状与趋势
宽禁带半导体材料优越的物理化学特性
特征 禁带宽度(eV) 相对介电常数 热导率(W/K· cm) 击穿电场(106 V/cm) 电子迁移率(cm2/s· V) 空穴迁移率(cm2/s· V) 最大电子饱和速度 (107cm/s) Si 1.12 11.8 1.5 0.3 1500 425 0.9 GaAs 1.43 12.5 0.54 0.4 8800 400 1.3 3C-SiC 2.4 9.72 3.2 2.12 800 40 2.2 4H-SiC 3.26 10 3.7 2.2 1000 115 2 6H-SiC 3.0 9.66 4.9 2.5 400 100 2 GaN 3.4 9.5 1.3 2.0 1000 200 2.5
SiC 单 极 型 开 关 SiC 双 极 型 开 关
JFET
BJT
开关速度与MOSFET相 当，驱动电路较 MOSFET器件复杂 适合于中高压等级
IGBT
Hale Waihona Puke 一、 国内外发展现状与趋势
电力电子器件的发展趋势： 更大导通电流容量、更高阻断电压及更高功率容量；
低通态电阻和低通态压降；
更快的开关速度和更高的工作频率等方向发展。
四、 研究方法、技术路线和可行性分析
研究方法：
（2）SiC器件制备关键技术研究方案。 利用变温I-V特性测试、表面成分分析测试等手段研究SiC欧姆接触的高温可靠性， 分析欧姆接触的对器件失效机理的影响。通过变温I-V特性和变温C-V特性的测量， 研究SiC材料和界面态对器件的失效机理等影响。通过仿真模拟软件研究不同温度 对器件的静态和动态特性，和闩锁效应的影响。对器件的可靠性进行评估、对失效 机理进行分析。
开展了SiC材料ICP刻蚀参数优化、刻蚀掩模的确定及其选择比优 化等刻蚀技术的研究。
主要内容
一、 二、 三、 四、 五、 国内外发展现状与趋势 研究内容、拟解决的技术难点和创新点 研究目标、技术指标 研究方法、技术路线和可行性分析 年度进展安排
• 对于IGBT器件，影响器件的阻断电压的主要因素，包括 漂移层的厚度和载流子浓度；影响器件通态压降的因素， 包括反型层沟道的迁移率、pnp晶体管的注入效率以及p型 发射极的欧姆接触电阻等；影响器件的开关速度的因素， 包括基区的少子寿命，厚度和掺杂浓度等。在此基础上， 利用数学计算工具、仿真模拟软件等对SiC IGBT器件结构 参数，包括阻挡层的厚度及掺杂浓度、漂移层的厚度及掺 杂浓度、沟道长度、发射区掺杂及深度、基区掺杂及深度 等器件结构参数和SiC的材料参数，包括载流子寿命、界 面态密度等，对IGBT器件内部的能带图、电场分布，器 件的转移特性、输出特性、击穿电压等静态特性，开关速 度等动态特性，进行模拟仿真，分析器件器件结构参数和 材料参数对器件性能的影响机理；合理解决器件通态压降 与耐压、开关速度的折中关系。
表 1 几种SiC 多型体及其它常见半导体材料的性能比较
一、 国内外发展现状与趋势
与Si器件的优点
器件产生的损耗减少 ( 导通电阻减至数分之一 ) ★热导率约为Si的3倍 ★绝缘耐压约为Si的7~10倍 可高频工作 ★电子饱和速度约为Si的2倍以上 周边部件尺寸减 小 冷却装置尺寸减 小或省去
效果
（1）SiC器件物理和器件结构设计研究方案。 建立SiC材料合理的参数模型，包括载流子统计模型、迁移率模型、复合率模 型、碰撞电离模型和隧道效应模型。对SiC肖特基结势垒二极管中的p
研究方法：
利用仿真模拟软件对SiC高压二极管器件的能带图、电场分布等特性进行仿真计算， 分析器件中载流子输运机理，研究器件结构及场板、场环和结终端延伸等不同终端 保护技术对器件击穿特性的影响机理，从而设计和优化器件结构，获得合理化器件 结构。 对于IGBT器件，影响器件的阻断电压的主要因素，包括漂移层的厚度和载流子浓 度；影响器件通态压降的因素，包括反型层沟道的迁移率、pnp晶体管的注入效率 以及p型发射极的欧姆接触电阻等；影响器件的开关速度的因素，包括基区的少子 寿命，厚度和掺杂浓度等。在此基础上，利用数学计算工具、仿真模拟软件等对 SiC IGBT器件结构参数，包括阻挡层的厚度及掺杂浓度、漂移层的厚度及掺杂浓度、 沟道长度、发射区掺杂及深度、基区掺杂及深度等器件结构参数和SiC的材料参数， 包括载流子寿命、界面态密度等，对IGBT器件内部的能带图、电场分布，器件的转 移特性、输出特性、击穿电压等静态特性，开关速度等动态特性，进行模拟仿真， 分析器件器件结构参数和材料参数对器件性能的影响机理；合理解决器件通态压降
四、 研究方法、技术路线和可行性分析
研究方法：
（2）SiC器件制备关键技术研究方案。 SiC的欧姆接触的研究，通过快速热退火技术、传输线模型技术、变温I-V测试等 技术，研究Ni、NiSi等金属在n型SiC材料上的欧姆接触、研究Ti、Ni、Pt、SiAl等 金属在p型SiC材料的欧姆接触特性及其形成机理的研究；利用Trim软件模拟P、N、 Al等离子注入在SiC中能量、深度、偏差和杂质浓度分布，改变离子注入后杂质激 活退火的温度、时间、氛围、密封剂等工艺条件，研究离子注入形成欧姆接触高掺 杂区及终端保护技术的制备研究；利用变温的I-V和C-V特性对Pd、Ni、Pt等金属与 SiC材料肖特基接触进行研究，分析界面态对肖特基势垒高度的影响，分析器件的 反向漏电机理；通过改变刻蚀气体的功率、流量配比等参数对SiC材料的刻蚀技术 研究等。