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通过多外延生长与沟道注入技术实现高性能0.17-mΩ⋅cm²/800-V 4H-SiC超级结肖特基二极管
Demonstration of High-Performance 0.17-mΩ⋅cm²/800-V 4H-SiC Super-Junction Schottky Diodes via Multiepitaxial Growth and Channeled Implantation Techniques
| 作者 | Fengyu Du · Haobo Kang · Hao Yuan · Boyi Bai · Tianyu Shu · Jingyu Li |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 4H-碳化硅 超结肖特基二极管 沟道注入 双外延生长 电气性能 |
语言:
中文摘要
本文展示了利用沟道注入和双外延生长技术制备高性能 4H - 碳化硅（SiC）超结（SJ）肖特基二极管的过程。这些二极管具有厚度为<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">$4.5 - \mu $ </tex - math></inline - formula>m 的漂移区和厚度为<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">$4 - \mu $ </tex - math></inline - formula>m 的超结结构，并对其材料和电学特性进行了表征。双外延生长后，外延层的最大应力为 25.9 MPa。半高宽（FWHM）分析表明，整个晶圆表面的 4H - SiC 晶体质量优异（FWHM < 25 弧秒），同时原子力显微镜（AFM）结果显示外延层具有出色的平整度（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${R}_{\text {q}} \lt 0.35$ </tex - math></inline - formula> nm）。在这些高质量晶圆上制备的器件表现出一致的性能和较高的良品率。电学性能分布显示，其击穿电压（BV）为 800 V，比导通电阻（<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${R}_{\text {on},\text {sp}})$ </tex - math></inline - formula>为 0.17 m<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">$\Omega \cdot $ </tex - math></inline - formula>cm²，Baliga 品质因数（BFOM）值达到创纪录的 3.76 GW/cm²（800 V），减去衬底电阻后，成功超越了 4H - SiC 的一维理论极限。此外，可以推断出沟道注入技术是一种极具吸引力的用于制备 SiC 超结器件的工艺。
English Abstract
This article demonstrates the fabrication of high-performance 4H-silicon carbide (SiC) super-junction (SJ) Schottky diodes utilizing channeled implantation and double epitaxial growth. The diodes, featuring a 4.5- m-thick drift region and a 4- m-thick SJ structure, underwent characterization encompassing both material and electrical attributes. After double epitaxial growth, the epitaxial layer showcased a maximum stress of 25.9 MPa. The full-width at half-maximum (FWHM) analysis underscored the exceptional quality of the 4H-SiC crystals across the entire wafer surface (FWHM R_ q 0.35 nm). Devices fabricated on these high-quality wafers exhibited consistent performance and superior yield. Electrical property distributions revealed a breakdown voltage (BV) of 800 V alongside a specific on-resistance ( R_ on, {sp}) of 0.17 m cm2 and a record Baliga figure of merit (BFOM) value of 3.76 GW/cm2 (800 V), subtracting the substrate resistance, exceeding the 1-D theoretical limit of 4H-SiC successfully. Moreover, it is inferred that the channeled implantation technology is an attractive process for fabricating SiC SJ devices.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项4H-SiC超结肖特基二极管技术具有重要的战略价值。该器件实现了0.17 mΩ·cm²的超低导通电阻和800V耐压等级，其巴利加品质因数(BFOM)达到3.76 GW/cm²，突破了传统4H-SiC材料的一维理论极限，这对我司光伏逆变器和储能变流器的功率密度提升具有直接意义。
在光伏逆变器应用中，该技术可显著降低功率开关损耗。以我司主流的1500V组串式逆变器为例，采用此类超结SiC二极管作为续流器件，可将导通损耗降低30-40%，系统效率有望突破99.2%的行业瓶颈。更重要的是，极低的导通电阻能够减少散热需求，为实现更高功率密度和紧凑化设计创造条件，这与我司推动逆变器小型化、轻量化的产品路线高度契合。
在储能系统领域，800V电压等级恰好匹配主流储能PCS的直流母线电压范围。该器件优异的开关特性和低损耗特征，可提升储能变流器的充放电效率，降低能量转换过程中的热管理成本，这对提升储能系统全生命周期经济性至关重要。
从技术成熟度评估，该研究采用的通道注入和双外延生长工艺已展现出良好的晶圆级一致性（FWHM<25角秒），表明工艺可控性较高。然而，多层外延生长带来的25.9 MPa应力管理、通道注入的掺杂精度控制，以及规模化量产的成本经济性仍是产业化的关键挑战。建议我司技术团队密切跟踪该技术的商业化进程，适时开展器件级验证测试，评估其在高温、高湿等实际工况下的可靠性表现，为下一代高效能源转换产品储备核心器件技术。