质子解决了长期存在于SiC中的问题

在器件制造之前进行质子注入可以释放SiC的真正潜力

4H-SiC的一个紧迫问题是其双极性退化，这是由4H-SiC晶体中的层错扩展引起的。

简单地说，晶体结构中的小位错随着时间的推移成长为称为“单一肖克利堆积缺陷”的大缺陷，这种缺陷会逐渐降低性能并导致器件失效。尽管存在一些缓解这一问题的方法，但它们使器件制造过程更加昂贵。

现在，由名古屋理工学院Masashi Kato领导的日本研究人员团队为这个问题找到了一个可行的解决方案。在2022年11月5日发表在《科学报告》杂志上的研究中，他们提出了一种称为“质子注入”的故障抑制技术，当在器件制造工艺之前应用时，该技术可以防止4H-SiC半导体晶片中的双极性退化。

Kato在解释这项研究的动机时表示，“即使在最近开发的SiC外延晶片中，双极性退化仍然存在于衬底层中。我们希望帮助业界应对这一挑战，找到开发可靠SiC器件的方法，因此，决定研究这种消除双极性退化的方法。”，日本SHI-ATEX的学术研究员Hitoshi Sakane也参与了这项研究。

质子注入涉及使用粒子加速器将氢离子注入衬底。这个想法是通过在晶体中钉住部分位错来防止形成单一的肖克利层错，这是引入质子杂质的一种后果。然而，质子注入本身会损坏4H-SiC衬底，因此高温退火被用作修复该损伤的额外处理步骤。

研究团队希望验证在器件制造工艺（通常包括高温退火步骤）之前应用质子注入是否有效。因此，他们在4H-SiC晶片上施加了不同剂量的质子注入，并用它们制造了PiN二极管。然后，他们分析了这些二极管的电流-电压特性，并将它们与没有质子注入的常规二极管进行了比较。最后，他们拍摄了二极管的电致发光图像，以检查堆叠故障是否已经形成。

总的来说，结果是非常有希望的，因为经过质子注入的二极管表现与常规二极管一样好，但没有双极退化的迹象。低剂量质子注入导致的二极管电流-电压特性的恶化并不显著。然而，单个肖克利层错的扩展受到了显著的抑制。

研究人员希望，这些发现将有助于实现更可靠、更具成本效益的SiC器件，从而降低火车和车辆的能耗。Kato推测：“虽然质子注入的额外制造成本应予以考虑，但它们将与铝离子注入产生的成本类似，而铝离子注入目前是制造4H-SiC功率器件的关键步骤。此外，随着注入条件的进一步优化，有可能将这种方法应用于基于4H-SiC的其他类型器件的制造。”