质子解决了碳化硅电子产品中长期存在的问题

碳化硅(SiC)是一种半导体材料，在多种应用中优于纯硅基半导体。SiC器件主要用于功率逆变器、电机驱动器和电池充电器，具有高功率密度和高频功率损耗降低等优点，即使在高压下也是如此。尽管这些特性及其相对较低的成本使SiC在半导体市场的各个领域成为有前途的竞争者，但其长期可靠性差一直是过去二十年无法逾越的障碍。

4H-SiC(一种具有优异物理性能的SiC类型)最紧迫的问题之一是双极退化。这种现象是由4H-SiC晶体中堆垛层错的扩展引起的。简而言之，晶体结构中的小位错会随着时间的推移变成称为“单肖克利堆垛层错”的大缺陷，逐渐降低性能并导致设备失效。尽管存在一些缓解此问题的方法，但它们使设备制造过程更加昂贵。

幸运的是，由名古屋工业大学MasashiKato副教授领导的日本研究小组现已找到解决该问题的可行方案。在他们发表在《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，在器件制造过程之前应用该技术可以防止4H-SiC半导体晶片的双极退化。

Kato博士在解释这项研究的动机时说：“即使在最近开发的SiC外延晶片中，衬底层中仍然存在双极退化。我们希望帮助行业应对这一挑战并找到开发可靠SiC器件的方法，并且，因此，决定研究这种消除双极退化的方法。”来自日本名古屋大学的副教授ShuntaHarada和日本SHI-ATEX的学术研究员HitoshiSakane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”到衬底中。这个想法是通过固定晶体中的部分位错来防止单个肖克利堆垛层错的形成，这是引入质子杂质的影响之一。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这种损坏的附加处理步骤。

研究团队想要验证质子注入在设备制造过程之前应用时是否有效，该过程通常包括高温退火步骤。因此，他们在4H-SiC晶圆上进行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普通二极管进行了比较。最后，他们捕获了二极管的电致发光图像，以检查是否形成了堆垛层错。

总的来说，结果非常有希望，因为经过质子注入的二极管的性能与普通二极管一样好，但没有双极退化的迹象。较低剂量的质子注入引起的二极管电流-电压特性的恶化并不显着。然而，对单个肖克利堆垛层错的扩展的抑制是显着的。

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功耗。

“尽管应考虑质子注入的额外制造成本，但它们与铝离子注入中产生的成本相似，铝离子注入是目前制造4H-SiC功率器件的重要步骤，”Kato博士说。“此外，随着注入条件的进一步优化，有可能将该方法应用于制造其他类型的基于4H-SiC的器件。”

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