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碳化硅(SiC)作為一種半導(dǎo)體材料，在多種應(yīng)用中優(yōu)于純硅基半導(dǎo)體，被廣泛應(yīng)用于用于功率逆變器、電機(jī)驅(qū)動器和電池充電器。SiC器件具有高功率密度和降低高頻功率損耗等優(yōu)點(diǎn)，即使在高壓下也能保持，且具有相對較低的成本。盡管如此，SiC仍存在長期可靠性問題。
4H-SiC(一種具有優(yōu)異物理性能的SiC)最緊迫的問題之一是雙極退化。這種現(xiàn)象是由4H-SiC晶體中堆垛層錯的擴(kuò)展引起的。簡而言之，晶體結(jié)構(gòu)中的小位錯會隨著時間的推移變成“單肖克利堆垛層錯(single Shockley stacking faults)”的大缺陷，逐漸降低性能并導(dǎo)致器件失效。盡管目前有一些緩解該缺陷的方法，但反而使設(shè)備制造過程更加昂貴。
據(jù)外媒報道，由名古屋工業(yè)大學(xué)(Nagoya Institute of Technology)Masashi Kato 副教授領(lǐng)導(dǎo)的日本研究小組現(xiàn)已找到解決該問題的可行方案，并發(fā)表與期刊《Scientific Reports》。研究人員提出一種稱為“質(zhì)子注入(proton implantation)”的故障抑制技術(shù)，可在器件制造過程前應(yīng)用時防止4H-SiC半導(dǎo)體晶片的雙極退化。
質(zhì)子注入涉及使用粒子加速器將氫離子“注入”到襯底中。這個想法是通過固定晶體中的部分位錯來防止單個肖克利堆垛層錯的形成，這也是引入質(zhì)子雜質(zhì)的影響之一。然而，質(zhì)子注入本身會損壞4H-SiC襯底，因此高溫退火被用作修復(fù)這種損壞的附加處理步驟。
研究團(tuán)隊(duì)想要驗(yàn)證質(zhì)子注入在設(shè)備制造過程之前應(yīng)用時是否有效，該過程通常包括高溫退火步驟。因此，研究人員在4H-SiC晶圓上進(jìn)行了不同劑量的質(zhì)子注入，并用它們制造了PiN二極管。
然后研究人員分析了這些二極管的電流-電壓特性，并將它們與沒有質(zhì)子注入的普通二極管進(jìn)行了比較。最后，研究人員捕獲了二極管的電致發(fā)光圖像，以檢查是否形成了堆垛層錯。
結(jié)果很好，因?yàn)榻?jīng)過質(zhì)子注入的二極管的性能與普通二極管一樣好，但沒有雙極退化的跡象。較低劑量的質(zhì)子注入引起的二極管電流-電壓特性的惡化并不顯著。然而，對單個肖克利堆垛層錯的擴(kuò)展的抑制非常顯著。
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SiC器件，從而降低火車和車輛的功耗。
Kato博士表示：“盡管應(yīng)考慮質(zhì)子注入的額外制造成本，但這與鋁離子注入產(chǎn)生的成本差不多，而鋁離子注入是目前制造4H-SiC功率器件的重要步驟。此外，隨著注入條件的進(jìn)一步優(yōu)化，該方法有可能將被應(yīng)用于制造其他類型的基于4H-SiC的器件。”
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