碳化矽 (SiC) 是電力電子領域中最重要的半導體材料之一，在新能源汽車、太陽能和風能等領域有着廣泛的應用前景。SiC功率器件目前的市場份額已經超過15億美元并且呈現出越來越迅速的發展趨勢，預計在2025年SiC功率器件總市場份額将超過35億美元。SiC MOSFET技術的成熟是當前碳化矽功率器件大規模應用最重要的技術關隘。其核心技術瓶頸是SiC MOSFET 栅氧層界面質量差導緻溝道遷移率低（通常低于10 cm2/V·s），使得溝道開态電阻過高，能源轉換效率嚴重受限。低溝道遷移率主要是由于在SiC熱氧化形成二氧化矽（SiO2）過程中，在SiO2/SiC 界面産生高密度的界面态。研究表明靠近SiC/SiO2界面的碳殘留是導緻高密度界面态的主要原因。目前，降低這種界面缺陷的标準程序是在一氧化氮 (NO) 或一氧化二氮 (N2O) 中高溫退火，稱為後氧化退火 (POA)，其典型溫度範圍為 1000°C至1500°C。然而這樣的高溫鈍化工藝，無法避免界面處再氧化而導緻額外缺陷，從而嚴重限制了界面質量的提升效果。此外，在磷基環境中進行高溫退火和使用沉積的高 k 電介質（如三氧化二鋁）來代替熱氧化物等技術方案，則往往導緻栅氧層可靠性的降低和較高的漏電流。SiC MOSFET的栅氧層界面質量問題是該領域的重大技術瓶頸。

低溫超臨界流體設備和橫向矽（Si）面SiC MOSFET器件示意圖

為解決以上技術瓶頸，西安交通大學微電子學院耿莉教授、劉衛華教授團隊與西安電子科技大學郝躍院士共同合作，提出了一種使用低溫超臨界二氧化碳(SCCO2) 或超臨界一氧化二氮 (SCN2O) 流體的低溫退火工藝，以提高4H-SiC MOSFET中4H-SiC/SiO2界面的質量。通過增加壓力，二氧化碳（CO2）和 一氧化二氮（N2O） 在接近室溫時更容易進入超臨界流體 (SCF) 狀态。SCF态是物質的一種特殊相，它具有氣體一樣的高滲透能力和液體一樣的高溶解度，幾乎沒有表面張力，因此，可以将 SCCO2或 SCN2O 流體引入界面來減小陷阱，而不會造成新的損傷。實驗證明，使用SCF在120°C下進行的退火工藝在提高 MOSFET 器件中的 4H-SiC/SiO2質量方面非常有效，在 (0001) Si 面上制造的橫向 4H-SiC MOSFET 的峰值場效應遷移率高達72.3 cm2/V · s，大約是氮氧後氧化退火工藝的最新結果的兩倍。低溫避免了高溫的再氧化和材料分解問題，因而顯著提高了介電層的可靠性。該研究成果不僅實現了高質量的SiO2/SiC界面、高的溝道遷移率和介電可靠性，更令人鼓舞的是，所提出的高效低溫退火工藝與标準 SiC MOSFET 制造工藝兼容，為制備高性能SiC MOSFET器件提供了新的有效方法，方便用于商用器件的制備。

超臨界流體工藝處理後獲得高質量的SiO2/SiC界面和高遷移率的SiC MOSFET

近日，上述研究成果論文在第67屆電氣電子工程師學會（IEEE）國際電子器件會議（International Electron Devices Meeting, IEDM）上發表，論文題目為：“超臨界流體低溫退火工藝實現高性能”（Toward High Performance4H-SiC MOSFETs Using Low Temperature Annealing Process with Supercritical Fluid）（IEDM 36.2.1-36.2.4 (2021)）。王夢華是學生第一作者，楊明超老師是第二作者，劉衛華教授、耿莉教授和郝躍院士是論文的通訊作者，西安交通大學為第一單位和通訊單位。該工作獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、西安交通大學基本科研業務費的支持。

來源：西安交大

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