更耐高压、更低功耗：新型碳化硅IGBT器件闪耀半导体器件舞台

悦智网 · 公众号 · · 2019-12-31 15:30

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同时，针对制备IGBT所需要的多次离子注入，研究团队通过调整高温退火过程中温度、时间、升降温速率及氛围等工艺参数对杂质激活和晶格恢复，优化工艺条件，为IGBT器件制备奠定基础。

在此基础上，研究团队调整元胞布局结构，成功实现导通电流密度突破 50A/cm ² ，这在国内尚属首次。在功率密度为 30 0W/cm ² 的封装极限下，研究团队采用六角形元胞将碳化硅 IGBT的导通电流密度提升至接近 40A/cm ² ，微分比导通电阻提升至 56.92 mΩ•cm ² ，相比于同等阻断电压的碳化硅 MOSFET器件，碳化硅 IGBT漂移层具有载流子注入增强效应，因而导通性能大大提升，这极大地降低了高压电力电子功率变换器的导通损耗。研究团队所研制的条形元胞和六角形元胞IGBT器件均超过碳化硅材料单极型极限，性能达到国内领先水平，这再一次表明：通过减少碳化硅厚膜外延层中的缺陷密度，尤其是深能级缺陷密度，减少MOS结构界面态和表面态，提高碳化硅快速外延生长技术，可以大幅提高碳化硅 IGBT器件的导通能力。

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新型碳化硅超高压器件终端技术

在碳化硅 IGBT的研制过程中，离子注入掺杂工艺在器件外围形成球面结和柱面结，因此需要设计有效的终端结构来提高高压碳化硅器件的击穿能力。常用于碳化硅终端技术的结构包括结终端扩展（JTE）、场限环（GR）、场板等。研究团队利用阶梯空间调制结终端扩展（SSM-JTE）终端结构有效提高了器件阻断电压对掺杂浓度的容忍范围，大大减小了10kV情况下器件的漏电流，碳化硅 IGBT 10 kV时漏电流仅为10nA。科研团队所研制的大容量碳化硅 IGBT器件可应用于新一代智能电网领域，进一步优化电力分配系统，使电网的效率更高、切换更快，特别是远距离输电线路。使用该种碳化硅器件可将功耗降低一半，由此将减少电力装备热量，从而大幅度降低电力变换器的体积和重量，这对于工作温度可达200℃的电力系统是相当有益的。

据报道，2010年世界平均电能消耗与总能源消耗的比率约为20％，并且在近几年该比率迅速增加。而调节电能离不开功率半导体器件，研究团队的研究成果将在高效节能方面扮演极其重要的角色。接下来，研究团队将继续深化研究，为全面提升我国全控型电力电子器件的原始创新能力提供科研助力，进而增强我国在这一战略性领域中的国际竞争力。

致谢：感谢国家973计划青年科学家项目“高压大容量碳化硅IGBT电力电子器件若干基础科学问题研究”（项目编号： 2015CB759600）的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2019年9月刊。

专家简介

申占伟：中国科学院半导体研究所，助理研究员。