采用电荷场调制JTE的增强型4H-SiC功率整流器：提升效率与剂量容限

摘要

本文制备了一款具有0.1 cm²有源面积的13.5 kV 4H-SiC PiN整流器。为满足超高反向电压需求，提出了电荷场调制结终延伸（CFM-JTE），该结构将JTE注入剂量容限窗口扩大至传统双区JTE的约2.8倍。CFM-JTE可沿用传统双区JTE工艺实现。在无载流子寿命增强技术条件下，实测正向电流高达100 A @ V_F = 5.2 V。CFM-JTE结构以相对较小的400 μm终端面积实现了并面结理论击穿电压的96%，从而达成了58.8 GW/cm²的巴利加性能指标。

引言

碳化硅凭借更高耐压下的更薄有源层、更高功率密度、更高开关频率、更优散热、更小系统尺寸及更低系统成本等特性，已成为提升功率应用的新选择[1,2]。近年来商用SiC整流器与MOSFET耐压多在1.2–1.7 kV，但在智能电网、电动汽车、脉冲电源及超高压固态电源等领域，对10 kV以上阻断能力及1000 A/cm²以上正向电流能力的需求日益增长。

目前10 kV及以上SiC功率器件面临的主要挑战集中在结终技术性能、工艺简化、厚外延层质量及表面缺陷减少。超高压SiC器件的终端结构长度多为外延厚度的6–8倍[3]，严重降低了晶圆利用率并推高制造成本。4H-SiC PiN整流器因电导率调制效应成为超高压应用的最佳候选。场限制环（FLR）结构虽可通过解析计算精准优化[4]，但当前光刻难以实现精确的环间距与宽度。针对10 kV SiC器件的新型FLR终端虽具高反向保护效率[5,6]，但终端面积超700 μm，额外消耗SiC晶圆。结终延伸（JTE）是另一种高效终端保护结构，但其效率对JTE剂量极度敏感。超高压场景下常采用多区JTE（MZ-JTE）与反掺JTE（CD-JTE）[7]精细调控电场，却要求严苛的离子注入条件与次数，增加制造复杂度与成本。为改善导通能力，学者们研究了不同金属与SiC势垒高度特性[8,9]。通常阳极欧姆接触采用50–100 nm Ti/Al膜，阴极用Ni膜。PiN整流器有源面积规模显著影响正向特性。研究发现，4H-SiC N型外延层中Z_1/2中心（E_C—0.65 eV），即碳单空位受主能级，主导载流子寿命[10]。铝离子注入会在台面边缘与终端区产生大量包含Z_1/2中心的深能级[11]，降低载流子寿命。因此设计制造大有源面积（>9 mm²）的4H-SiC整流器，可使台面边缘与终端区寿命下降的影响相对可忽略。

本文在掺杂浓度5×10¹⁴ cm⁻³、厚度100 μm的外延层上制备了4H-SiC CFM-JTE PiN整流器，关态实现13.5 kV阻断能力，导通态在V_F=5.2 V下达100 A正向电流。该器件室温差分导通电阻为3.1 mΩ·cm²。CFM-JTE基于电荷场调制概念与分析，以400 μm终端长度实现理论击穿电压的96%，有效拓宽注入剂量容限窗口。

方法

器件结构分析

设计、优化与分析基于Silvaco-TCAD。图1展示了带终端的4H-SiC PiN结构示意：(a) CFM-JTE、(b) 外环辅助JTE (ORA-JTE)、(c) 传统双区JTE (TZ-JTE)。关态下电子-空穴碰撞电离率与电场强度紧密相关。提出电荷电场调制概念E_q(r)，通过图1a中终端电荷电场E_q(r)的矢量叠加揭示CFM-JTE调制机制。CFM-JTE由JTE1区、JTE2区及三组环组成，多环将终端等效划分为五个掺杂区：R₁–R₂、R₂–R₃、R₃–R₄、R₄–R₅、R₅–R₆，分别引入有效电荷Q₁–Q₅。基于x、y坐标电场矢量分解叠加，施加势电场E_p(r)与各Q_i产生的电荷电场E_Qi(r)在R_i点合成的总电场可按公式(1)、(2)在x、y方向解析表达。

关态下，低掺杂耗尽区因主结曲率效应过早收缩终止于终端区，施加势电场E_p(r)高度聚集于主结边缘。Q_i的存在推动耗尽层沿CFM-JTE向最外侧外延层延伸。电荷电场E_Qi强度与Q_i量相关，沿终端外缘Q_i递减有效实现终端区电场调制。通过电荷电场调制机制，CFM-JTE克服了SiC低扩散系数难以形成侧向变掺杂（VLD）效应的短板，成为Si器件成熟稳健的高效结终保护技术[12,13]。各组环宽分别递减为15 μm、12 μm、9 μm，环间距均为5 μm。JTE1与JTE2的长度与剂量比固定为3:2。详细参数见表1。

仿真与优化

为降低器件结构与掺杂浓度敏感性带来的偏差，采用Athena工艺模拟。CFM-JTE掺杂浓度通过多步铝离子注入工艺模拟形成，总掺杂深度近1 μm。

图2对比了CFM-JTE、ORA-JTE与传统TZ-JTE的阻断能力与注入剂量容限。四种终端结构长度固定L=400 μm。JTE1与JTE2长度与剂量比固定3:2。二维仿真以反向漏电流达1×10⁻⁹ A为击穿判据。黑实线为理论击穿电压（按[10,14]计算为14.1 kV），灰虚线为12 kV。考虑工艺容限与仿真偏差，10 kV目标设20%设计余量。传统TZ-JTE击穿电压对注入剂量极度敏感，仅在0.98–1.14×10¹³ cm⁻²窗口超12 kV。ORA-JTE缓解了对JTE注入浓度敏感性，获得0.97–1.28×10¹³ cm⁻²更宽容限窗口。CFM-JTE拥有最宽0.86–1.30×10¹³ cm⁻²容限窗口，约为传统TZ-JTE的2.8倍、ORA-JTE的1.4倍，展现更优工艺鲁棒性。

图3展示三种结构关态表面电场分布与强度对比。峰值电场主要集中于主结与终端边缘。CFM-JTE有效拉平电场分布并推动电场沿终端延伸，显著提升阻断能力。

为理解CFM-JTE电荷场调制机制，图4绘制了图1a中AA'截面不同JTE1注入剂量下的击穿电场分布。Q_i尤其是紧邻主结的高掺杂Q₁区，极大缓解了台面刻蚀角处电场线聚集。Q₅区缓解图1a中R₅点电场拥挤。结果表明，通过终端电荷电场E_Qi(r)调制，可有效改善电场分布均匀性，提升阻断电压能力与器件可靠性。

终端面积直接影响芯片利用率。关态施加势电场聚集于主结边缘，靠近主结的JTE1区需引入更多电荷增强电荷场调制效应，故L₁需长于L₂。固定L₁:L₂=3:2，图5比较分析不同终端长度L的阻断能力。

图6展示对应电场分布。大尺度CFM-JTE有利于增加所需电荷Q_i、充分发挥E_Qi(r)调制效应，获得更大注入剂量容限窗口(TW)。L=300、350、400、450 μm时，BV>12 kV条件下TW范围依次为3×10¹²、3.2×10¹²、4.4×10¹²、4.7×10¹² cm⁻²。综合终端尺寸、剂量容限、电场调制与击穿能力权衡，本文选L=400 μm。

实际制造中须考虑表面态，源于深界面态捕获的空穴、P-SiC（含P⁺⁺层与P-JTE区）/SiO₂界面固定氧化物电荷及工艺过程[15–18]。图7分析CFM-JTE终端界面S₁、S₂处界面正电荷(Q_it)、有效电荷(Q_j)与施加势在垂直方向的电场调制。正界面电荷Q_it产生与施加势场E_py方向相反的电荷场E_Qity，有助缓解垂直界面电场强度。图8展示不同Q_it下SiO₂/SiC界面S₁电场分布。

界面S₂处E_Qity与E_py、E_Qjy方向相反，Q_it有助降低S₂电场。考虑Q_it存在，需更大电离有效电荷Q_j抵消其产生的电场强度。因此Q_it增加时，JTE最佳注入剂量浓度应同步提高以维持同等阻断能力。图9显示随Q_it增加，整体BV–Dose曲线向高剂量方向平移。

结果与讨论

拟议CFM-JTE 4H-SiC PiN整流器在4英寸、4°离轴(0001) N型晶圆上制备。外延生长四层(N⁺、N⁻、P⁺、P⁺⁺)，浓度分别为1×10¹⁸、5×10¹⁴、1×10¹⁸、5×10¹⁹ cm⁻³。图10展示CFM-JTE主要工艺流程。P⁺⁺层外延生长获均匀高掺杂，改善SiC与阳极金属欧姆接触质量。台面刻蚀结构在ICP-RIE设备通过刻蚀掩膜形成，刻蚀气体以SF₆与氧气为主。最大能量500 keV的多步Al离子注入形成CFM-JTE结构。两步Al注入形成五个递减掺杂区：第一掩膜形成JTE1与R₂–R₃区；第二掩膜同步形成JTE2、R₁–R₂、R₃–R₄、R₄–R₅、R₅–R₆区。SiC高能离子注入后离子活化率低、晶格损伤严重，为改善此问题，注入在500 °C下通过氧化物掩膜进行。注入后在氩气氛中、1800 °C、10 min、碳封盖条件下退火，修复晶格损伤并提高有效活化率从而改善掺杂精度。P型SiC欧姆接触用Al/Ti，在惰性氮气中1000 °C、2 min快速热退火(RTA)。沉积高质量钝化层(SiO₂、Si₃N₄、厚聚酰亚胺)防止表面漏电与空气击穿[5]。CFM-JTE PiN整流器有源面积达0.1 cm²。工艺流程与传统双区JTE 4H-SiC PiN整流器一致，无额外掩膜或步骤，极大降低制造复杂度与成本。

制造的CFM-JTE PiN整流器用CS-3200曲线示波器在晶圆上测试正向特性。无载流子寿命增强技术下展现大电流导通能力，V_F=5.2 V时正向电流达100 A(图11)。室温差分导通电阻在V_F=3.6 V时为3.1 mΩ·cm²。图11内嵌图展示不同温度下正向导通特性，I–V曲线呈负温度系数：温度升高导致迁移率下降，但SiC禁带变窄降低P–N结内建势，漂移区载流子寿命延长，电流密度上升。定义在10 A/cm²正向电流密度下的开启电压随环境温度25→150 °C从3.14 V逐渐降至3.04 V，最大漂移仅0.1 V(3%)，温度稳定性远优于Si PiN。

CFM-JTE、ORA-JTE及传统TZ-JTE 4H-SiC PiN整流器在同一4英寸晶圆制备，终端保护效果见图12。反向击穿电压测试浸入Fluorinert油中防空气电弧。实验中JTE1剂量1.2×10¹³ cm⁻²、同终端长度400 μm下，ORA-JTE与传统TZ-JTE击穿电压分别为12.5 kV与9.6 kV。

多批次CFM-JTE PiN样器在10 μA漏电流下反复获得13.5 kV击穿电压。实验阻断电压达理论值96%，表明CFM-JTE终端保护效率更高。100 μm漂移层实现>130 V/μm耐压。室温巴利加性能指标(BFOM=BV²/R_on,sp)达58.8 GW/cm²。不同JTE1注入剂量的CFM-JTE PiN已制备，实验与仿真击穿电压见图12b，实验值吻合仿真趋势，确证CFM-JTE有效拓宽JTE剂量容限窗口。表2对比近期报道的超高压4H-SiC整流器特性，本文器件在超高压阻断、超大电流导通及终端效率方面表现优异。

结论

本文成功设计制备了4H-SiC CFM-JTE PiN整流器。实验击穿电压13.5 kV，达理论值96%。CFM-JTE终端保护效率显著优于ORA-JTE(12.5 kV, 88%)与传统TZ-JTE(9.6 kV, 68%)。无载流子寿命增强技术下获100 A @ V_F=5.2 V大电流，且各温度下正向I–V特性稳定。室温BFOM达58.8 GW/cm²。基于电荷电场调制，CFM-JTE注入剂量容限窗口扩大至传统TZ-JTE的2.8倍、ORA-JTE的1.4倍，工艺鲁棒性大增。且CFM-JTE制造工艺与传统TZ-JTE一致，无额外复杂工序或掩膜，证明其为兼具满意终端效率与工艺容限的超高功率应用最优选择。