r. ghandi 等人关于5kV SiC深注入超结MOSFET的研究报告

作者及发表信息
本研究由 r. ghandi、collin hitchcock、tarak saha、eladio delgado 和 stacey kennerley 共同完成，发表于2025年的IEEE Electron Device Letters期刊。

学术背景
近年来，高效、轻量化、多兆瓦、多千赫兹功率转换系统的开发面临显著的技术瓶颈，主要原因是缺乏能够在中等频率（1-20 kHz）下高效切换的超高压功率半导体器件。对于中压应用（超过3.3 kV），碳化硅（SiC）单极器件在高温下由于厚漂移层电阻增加而表现出较高的导通损耗，仅略优于传统的硅绝缘栅双极晶体管（IGBT）和二极管。超结（Superjunction, SJ）结构通过利用电荷补偿效应，为解决这一挑战提供了有前景的方案。通过引入交替的p型和n型柱结构，SJ器件在击穿电压（BV）和特定导通电阻（Ron,sp）之间实现了更好的平衡。然而，现有的SiC SJ器件在3.3 kV至6.5 kV范围内的开发因复杂的沟槽填充工艺引入了晶体缺陷，导致高阻断电压下的泄漏电流增加。本研究旨在开发一种新型的深注入SiC SJ MOSFET，以克服这些限制。

研究流程
本研究的主要流程包括以下几个步骤：
1. 器件设计与制备：使用100毫米4H-SiC晶圆，通过三轮低掺杂n型外延生长和超高能量注入（UHEI）形成36微米深的n型和p型柱结构，掺杂浓度为1×10¹⁶ cm⁻³。采用串联加速器生成多能量束，最高能量达20 MeV，用于铝和氮的注入。
2. MOSFET结构制备：在柱结构上制备顶部MOSFET结构，栅极指与SJ柱垂直对齐，以实现SJ柱间距和顶部MOSFET间距的独立优化。制备了柱间距分别为8微米、10微米和12微米的SJ MOSFET。
3. 器件激活与后处理：通过铝和氮的浅注入形成MOSFET的p阱、沟道、源极和终止区，随后在1700°C下进行激活退火，接着进行标准栅氧化、场氧化沉积和金属化。
4. 电性能测试：对器件进行了导通和阻断特性测试，包括漏极家族曲线、转移特性、反向电压特性以及电容-电压特性测试。此外，还进行了双脉冲电感开关测试，评估器件的动态性能。

主要结果
1. 导通特性：在室温下，SJ MOSFET的特定导通电阻（Ron,sp）为9.5 mΩ·cm²，比SiC单极极限低25%。在200°C时，Ron,sp增加至25 mΩ·cm²。
2. 阻断特性：器件在5.1 kV下表现出尖锐且稳定的雪崩击穿，4 kV下的泄漏电流密度低于0.1 mA/cm²。
3. 动态性能：在2000 V和5 A的条件下，器件的总开关损耗为780 µJ（19.5 mJ/cm²），表现出优异的动态性能。
4. 柱间距影响：8微米柱间距的器件由于p型柱的横向耗尽，Ron,sp增加了3%-5%，而10微米和12微米柱间距的器件则未观察到显著差异。

结论
本研究成功开发并表征了5 kV深注入SiC SJ MOSFET，展示了其低Ron,sp、稳定的雪崩击穿电压和低开关损耗。这些结果表明，深注入SiC SJ MOSFET在高电压功率应用中具有巨大潜力，并通过增强柱掺杂和热处理工艺进一步优化。

研究亮点
1. 创新性：采用超高能量注入技术，减少了外延再生次数，提高了器件性能和可扩展性。
2. 性能优异：器件的Ron,sp比SiC单极极限低25%，动态性能优异，处于5 kV MOSFET的领先水平。
3. 应用价值：该技术为高效、高电压功率转换系统提供了关键器件支持，具有广泛的应用前景。

其他有价值的内容
本研究还展示了通过提高激活退火温度至2000°C，可以进一步减少深注入SJ器件的泄漏电流，并恢复由UHEI引入的缺陷。此外，研究还表明，通过优化柱间距和掺杂浓度，可以显著改善Ron,sp而不影响击穿电压。