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(guó)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(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)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(chǎng)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[敏感詞]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(guò)三十多年的發(fā)展，SiC 在材料生長(zhǎng)與器件制備等方面都取得了長(zhǎng)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(chǎng)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(jiǎn)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(guò)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(wèn)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(shì)。

通常來(lái)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(wèn)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(lái)，由于各項(xiàng)工藝的進(jìn)步，越來(lái)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(guó)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[敏感詞]個(gè)溝槽結(jié)構(gòu)的 6H-SiC IGBT，通過(guò)該器件驗(yàn)證出在相同的漂移層厚度下，SiC IGBT 的[敏感詞]電流密度比 SiC MOSFET 高十倍左右。1999 年，SINGH等人制作出了[敏感詞]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(wèn)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(shì)，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(zhǎng) 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(guó)內(nèi)[敏感詞] 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(guó)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(guó)家電網(wǎng)研制了國(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn) SiC IGBT 的研究開始緊跟國(guó)際步伐。

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。可以看出，N 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(cè)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小；②器件柵氧化層界面態(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(chǎng)隨著溫度的增加而減小；⑤雜質(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(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度超過(guò) 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(wèn)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[敏感詞]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(zhǎng) 2 μm 的 P 型緩沖層，摻雜濃度為 1×10¹⁷ ~2×10¹⁷ cm^-3，之后生長(zhǎng) 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(chǎng)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(chǎng)氧化層，柵介質(zhì)層通過(guò)熱氧化形成，厚度為40~60 nm，經(jīng)過(guò)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(cè)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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，[敏感詞]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(zhǎng)度、溝道長(zhǎng)度和 JFET 區(qū)長(zhǎng)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(guò)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[敏感詞]的溝道遷移率，為 14.7 cm²/(V·s)，同時(shí)擁有[敏感詞]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(guò)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[敏感詞]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(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng) 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(chǎng)強(qiáng)度均小于 4.5 MV/cm。考慮到器件制作過(guò)程中摻雜的激活率問(wèn)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(lái)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(chǎng)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(lái)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(zhǎng)比為 4.1×10⁵，而條形結(jié)構(gòu)的寬長(zhǎng)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[敏感詞]個(gè) P 溝道 SiC槽柵 IGBT 以來(lái)，科研人員對(duì)于 P 溝道 SiC IGBT 的研究已走過(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(lái) 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(lái)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(lái)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[敏感詞]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(chǎng)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(zhǎng)，在 NO 環(huán)境下退火。經(jīng)測(cè)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(guò) 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(zhǎng)，這表明該器件柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問(wèn)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(zhǎng) 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(zhǎng) N型CSL 層。離子注入形成 P 阱底部后進(jìn)行 P 型外延生長(zhǎng)，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(zhǎng)度為 750 μm。柵氧化層經(jīng)過(guò)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(cè)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(guò) 1000 s 的老化測(cè)試，閾值電壓依然保持穩(wěn)定，[敏感詞]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(zhǎng)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(wèn)題。

2022 年，楊曉磊等人制備出了一種耐壓超過(guò) 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(guò)在 N 型 4H-SiC 襯底上生長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)高溫?zé)嵫趸^(guò)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(cè)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(guò)程中通過(guò)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(guó)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(zhǎng) 95 μm 厚的 N型漂移層，用來(lái)承受 10 kV 的阻斷電壓，再生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(zhǎng)出來(lái)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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(wú)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(chǎng)的平緩度，都是未來(lái)器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用中需重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

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(guò)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(shì)，而 N 溝道SiC IGBT 在常溫下的導(dǎo)通能力更具優(yōu)勢(shì)。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(lái)的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)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(chǎng)的擁擠效應(yīng)，進(jìn)一步降低漏電流。

過(guò)去，對(duì) SiC IGBT 的研究主要集中在美國(guó)和日本，國(guó)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(guó)家能源轉(zhuǎn)型和碳達(dá)峰等政策的指導(dǎo)下，近幾年中國(guó)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(wèn)題，制備出性能優(yōu)異的 SiC IGBT 器件將是未來(lái)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(guò)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(lái)更加節(jié)能與清潔的美麗世界。