隨著功率領(lǐng)域?qū)π⌒突⒏哳l、高溫、高壓和抗輻照特性的迫切需求，硅基功率器件達(dá)到了理論極限，第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵(GaAs)，以及以碳化硅(SiC)半導(dǎo)體材料和氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料(禁帶寬度大于3.2eV)等為代表的第三代半導(dǎo)體材料紛紛登上半導(dǎo)體的舞臺(tái)。

與第一代半導(dǎo)體材料硅和第二代半導(dǎo)體材料砷化鎵相比，碳化硅材料具有帶隙寬(硅的2.9倍)、臨界擊穿電場高(硅的10倍)、熱導(dǎo)率高(硅的3.3倍)、載流子飽和漂移速度高(硅的1.9倍)和極佳的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是制造新一代高溫、大功率、電力電子和光電子器件的理想材料。在相同擊穿電壓的情況下，碳化硅基功率器件的導(dǎo)通電阻只有硅器件的1/200，極大地降低了變換器的導(dǎo)通損耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，若全國使用全碳化硅電力電子器件進(jìn)行電能傳輸，每年可節(jié)省的電量相當(dāng)于2個(gè)三峽水電站的發(fā)電量。根據(jù)美國科銳公司的研究，如果在全球范圍內(nèi)廣泛使用碳化硅功率器件，每年節(jié)能將達(dá)到350億美元。因此，碳化硅基功率器件將能夠大大降低能耗，滿足未來電力系統(tǒng)對(duì)電力電子器件耐高壓、低功耗的需求。

隨著碳化硅襯底、外延生長和工藝技術(shù)的不斷進(jìn)展，中等阻斷電壓(600～1 700V)的碳化硅肖特基勢壘二極管(SBD)和功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。然而，人們對(duì)材料特性、材料缺陷對(duì)碳化硅功率器件性能以及可靠性的影響機(jī)制仍然缺乏足夠的了解，尤其是針對(duì)10kV以上的大容量碳化硅功率器件，通常需要碳化硅厚膜外延材料。高厚度、低缺陷的高質(zhì)量碳化硅同質(zhì)異型外延直接決定了碳化硅基電力電子器件性能的優(yōu)劣。其次，碳化硅基絕緣柵雙極晶體管(IGBT)面臨的最大挑戰(zhàn)是載流子遷移率低(10cm2/Vs)，只有碳化硅基MOSFET器件的1/10，比碳化硅體材料(1000cm2/Vs)低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。載流子遷移率的高低決定著半導(dǎo)體器件的電導(dǎo)率與工作頻率，影響著器件的開關(guān)損耗和工作效率。

當(dāng)前，碳化硅基功率器件面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的碳化硅基肖特基二極管，MOSFET等器件并不能有效地滿足實(shí)際應(yīng)用需要，對(duì)IGBT器件的需求日益迫切，必須突破碳化硅基IGBT研究中的瓶頸問題，增加器件耐壓強(qiáng)度，提高溝道遷移率。針對(duì)這些核心技術(shù)難題，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的研究團(tuán)隊(duì)從決定碳化硅基IGBT載流子遷移率的最基本科學(xué)規(guī)律入手，揭示載流子輸運(yùn)機(jī)理、能帶結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，生長出高質(zhì)量碳化硅厚膜外延材料和低界面態(tài)柵介質(zhì)層材料，研究與調(diào)控材料界面和表面，最終研制出具有高載流子遷移率和高阻斷電壓的碳化硅 IGBT器件。

實(shí)現(xiàn)高溫度、低缺陷碳化硅外延生長與原位摻雜技術(shù)

碳化硅厚外延的生長是高壓大容量IGBT器件研制的基礎(chǔ)之一，厚外延層、低背景載流子濃度是碳化硅器件耐擊穿的保證。為此，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)快速外延生長條件下的溫場和流場分布進(jìn)行了研究，建立了碳化硅生長速率與工藝條件的內(nèi)在聯(lián)系，采用熱壁CVD反應(yīng)生長室，提高碳化硅 CVD系統(tǒng)溫度場的均勻性;同時(shí)采用的低壓化學(xué)氣相沉積的方法可以調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的流量、改變生長溫度等，進(jìn)而增加碳化硅外延的生長速率，并保證恒定的碳與硅比例，使碳化硅外延在快速生長的同時(shí)，成分保持恒定。