名古屋理工學院加藤正史領導的團隊為4H-SiC的一個緊迫問題——由4H-SiC晶體中的層錯擴展引起的雙極性退化——找到了一個可行的解決方案。

他們提出了一種稱為“質子注入”的故障抑制技術，當在器件制造工藝之前應用時，該技術可以防止4H-SiC半導體晶片中的雙極性退化。 

通常，晶體結構中的小位錯隨著時間的推移成長為稱為“單一Shockley堆積缺陷”的大缺陷，這種缺陷會逐漸降低性能并導致器件失效。盡管存在一些緩解這一問題的方法，但它們使器件制造過程更加昂貴。

加藤正史這項研究的方法是質子注入，它涉及使用粒子加速器將氫離子注入襯底。通過在晶體中釘住部分位錯來防止形成單一的Shockley層錯，這是引入質子雜質導致的。然而，質子注入本身會損壞4H-SiC襯底，因此高溫退火被用作修復該損傷的額外處理步驟。

他表示，“即使在最近開發的碳化硅外延晶片中，雙極性退化仍然存在于襯底層中。我們希望幫助業界應對這一挑戰，找到開發可靠碳化硅器件的方法，因此，決定研究這種消除雙極性退化的方法。”

該研究團隊希望驗證在器件制造工藝，也包括高溫退火步驟，之前應用質子注入是否有效。他們在4H-SiC晶片上施加了不同劑量的質子注入，并用它們制造了PiN二極管。

之后，通過分析二極管的電流-電壓特性，并將它們與沒有質子注入的常規二極管進行了比較，他們拍攝了二極管的電致發光圖像，以檢查堆疊故障是否已經形成。

他們的結果表明，經過質子注入的二極管表現與常規二極管一樣好，但沒有雙極退化的跡象。低劑量質子注入導致的二極管電流-電壓特性的惡化并不顯著。然而，單個Shockley層錯的擴展受到了顯著的抑制。

Kato說：“雖然質子注入有額外制造成本，但與鋁離子注入產生的成本類似，而鋁離子注入目前是制造4H-SiC功率器件的關鍵。隨著注入條件的進一步優化，有可能將這種方法應用于基于4H-SiC的其他類型器件的制造。”

研究人員希望，這些發現將有助于實現更可靠、更具成本效益的碳化硅器件，從而降低動力牽引和電動汽車的能耗。

(來源:PSD功率系統設計）