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摘 要：研究发现，氢离子注入可以抑制SiC功率半导体内部的堆垛层错的扩展。通过在功率半导体制造工艺之前实施氢离子注入，可以在不降低功率半导体的电气特性的情况下抑制堆垛层错的扩展，堆垛层错的扩展是导致双极退化问题的原因，通过氢离子注入可以实现高可靠性SiC功率半导体，有望为社会节约能源。
关键字：SiC功率半导体、氢离子注入、抑制堆垛层错、SiC二极管制造工艺、高可靠性半导体、节约能源
研究小组成功地通过氢离子注入抑制了导致SiC功率半导体劣化的晶体缺陷的扩展。在传统的SiC功率半导体中存在着这样一个问题，即增加二极管电流会导致堆垛层错这一晶体缺陷的扩展，增加电阻。如图1的概念图所示，向SiC外延片注入氢离子抑制了堆垛层错的扩展，从而可以制造出保持长期可靠性的SiC功率半导体。这一成果将有助于实现低成本且高可靠性的SiC功率半导体。
图1 SiC外延片截面结构示意图。
(a)无氢离子注入的情况，(b)有氢离子注入的情况。
由于其优异的节能性，碳化硅(SiC)功率半导体逐渐得到普及，用于光伏发电的电压转换器或用于驱动火车和电动汽车等电机的半导体器件。然而，SiC功率半导体的价格高于传统使用的硅(Si)功率半导体，因此这限制了其可以应用的领域。
SiC功率半导体价格高的原因在于作为制造半导体元件基础的晶圆成本高昂，以及难以保证SiC功率器件的长期可靠性。其中，前者通过加大SiC晶圆的直径得到了改善，而后者是由SiC晶圆中存在的晶体缺陷所引起的，因此目前很难从根本上解决。
堆垛层错是对长期可靠性产生不利影响的SiC晶体缺陷之一。当电流流过由SiC功率半导体制成的二极管时，会出现堆垛层错扩展的现象，导致电阻增加。这种堆垛层错的扩展和伴随而来的电阻增加被称为双极性退化，其一直是影响SiC功率半导体长期可靠性的一个问题。
当一个被称为基面位错的位错分裂为两个部分位错并移动时，堆垛层错会随着两个部分位错之间距离的扩大而扩展。如图1（a）所示，用于制作SiC功率半导体的外延片具有外延层和衬底组成的双层结构，但大多数基面位错仅存在于衬底上，随后，作为堆垛层错从衬底向外延层方向扩展，增加了外延层的电阻。因此，如果能够阻止衬底的基面位错分裂成部分位错并向外延层内部移动的话，则可以抑制双极性退化。
因此，如图1（b）所示，研究小组通过使用加速能量MeV级的离子加速器进行氢离子注入，在外延/衬底界面附近引入了氢和点缺陷。由此可以使氢或点缺陷附着在部分位错上，阻止其移动，从而抑制堆垛层错的扩展。
如果在SiC功率半导体制造工艺期间或制成之后实施氢离子注入，则虽然会发生部分位错的固定，但由于氢离子注入造成的晶体损伤，同样会导致SiC功率半导体的电学特性劣化。另一方面，SiC功率半导体的制造工艺之一是在铝（Al）离子注入之后实施高温退火工艺，用于恢复晶体损伤。
研究发现，如果在该高温退火工艺之前实施氢离子注入，则因氢离子注入造成的晶体损伤也会得到恢复，并可以获得与无氢离子注入相同的电学特性。而且，即使在高温退火之后，由氢离子注入引起的部分位错固定效果得到保留。图2显示了传统二极管制造工艺与所开发的氢离子注入工艺的比较。
图2 SiC二极管制造工艺
(a)无氢离子注入的正常工艺、(b)本研究开发的氢离子注入工艺
图3显示了对传统工艺制造的二极管和新开发工艺制造的二极管进行长期电流负载测试后的电致发光(EL)图像。EL是通过在外延面上形成的带有条纹状窗口的电极观察到的。由于堆垛层错在EL图像中显示为暗区，因此可以确定堆垛层错是否已扩展。
如图3（a）所示，在无氢离子注入的情况下，在多个位置确认到了暗区，由此表明，堆垛层错已经扩展；与之相比，如图3（b）所示，在氢离子注入的情况下，没有观察到堆垛层错。因此，研究发现，氢离子注入抑制了堆垛层错的扩展，可以成为一种解决双极性退化的技术。
图3 从长时间通电劣化试验后的二极管电极窗观察到的EL图像
(a)无氢离子注入的二极管、(b)氢离子注入的二极管
这一成果将有助于解决影响SiC功率半导体长期可靠性的双极性退化问题。因此，这一成果有望降低SiC功率半导体的成本并有望将其应用于需要长期可靠性的汽车领域等。高节能性SiC功率半导体的普及将有助于实现全社会的节能。
今后，研究小组将继续寻找氢离子注入的最佳条件，以求同时实现SiC功率半导体的性能和长期可靠性。目标是未来将该技术商业化，并将其提供给SiC功率半导体制造商。
翻译：王宁愿
审校：刘 翔
李 涵
统稿：李淑珊
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