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P型碳化硅衬底一般用于制作功率器件,比如绝缘栅双极型晶体管(IGBT,Insulate-Gate Bipolar Transistor)


IGBT= MOSFET+BJT,是一个非通即断的开关。MOSFET=IGFET(金属氧化物半导体场效应管,或者绝缘栅型场效应晶体管)。BJT(Bipolar Junction Transistor,双极结型晶体管,也称为三极管),双极的意思是工作时有电子和空穴两种载流子参与导电过程,一般就是有PN结参与导电。


看个简单的例子,看上半部分:gate+emitter+N完全是一个垂直型的MOSFET的结构,但是底部加了P型半导体而形成了PNP型的BJT。

P型碳化硅衬底与IGBT

通电原理同样分为两个部分:

1.栅极加电压,由此上半部分导通,整个器件从上到下转化为NP结构。

2.集电极加电压,由此下半部分导通,PN结的正常导通。

最后,电流从集电极到发射极,但是因为有PN结的存在,其中有电子导电也有空穴导电。


举几个示例。


在上面的结构上接上导线,就可以作为IGBT单管了。外形与MSOFET类似,毕竟也是作为开关。

P型碳化硅衬底与IGBT

如果几个IGBT放在一起,或者和别的器件放在一起,就可以作为IGBT模块。

P型碳化硅衬底与IGBT

IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点,如驱动功率小和饱和压降低等。


碳化硅IGBT的发展如下图所示:

P型碳化硅衬底与IGBT

从结构上讲,IGBT主要有三个发展方向:

1)纵向结构:非透明集电区NPT型、带缓冲层的PT型、透明集电区NPT型、FS电场截止型;

2)栅极结构:平面栅结构、Trench沟槽型结构;

3)衬底:外延生长技术、类型。


为了继承N型衬底的MOSFET的结构,所以需要P型碳化硅衬底生长IGBT。P型碳化硅衬底一般指Al掺杂的碳化硅衬底。Al是+3价的,取代了SiC中的部分+4价的Si,形成Al和一个+1价的空穴。空穴,就是P型半导体。除了Al之外,其他三价元素也会被用作P型掺杂,包括B、Ga、In等。在碳化硅中掺杂氮、磷可以形成 n 型半导体,而掺杂铝、硼、镓、铍形成 P型半导体。掺杂铝的碳化硅是 II 型半导体,但掺杂硼的碳化硅则是I型半导体,异质结类型如下所示:Ⅰ型异质结:小的禁带包于大的禁带中;Ⅰ’型异质结:两个禁带相交;Ⅱ型异质结:两个禁带错开。

P型碳化硅衬底与IGBT

但是,现阶段P型碳化硅衬底并不实用,原因在于电阻率很大,在100mΩ·cm。而常见的N型碳化硅衬底电阻率在15-30mΩ·cm,或者低于10mΩ·cm。


高的电阻率,是因为Al掺杂的困难。


1.Al源的选择

Al直接混合在碳化硅中,在生长初期就会耗尽,形成缺陷。但是如果通过外加加热系统加热Al3C4,再通过He气输送,Al的掺杂浓度难以控制。通过该方法可以得到浓度10^20cm-3的100mΩ·cm的P型碳化硅衬底。Al(CH3)3,三甲基铝,简称TMA,会与石墨反应,生成聚集物堵塞管道。但是,外延生长P型碳化硅层还是会用H2作为载气来制备。


2.浓度

常规N掺杂3×10^19cm-3一般就会产生层错。N/Al共掺杂,可以N产生层错的临界值提升至8.8×10^19cm-3。通过该方法可以得到N浓度3.5×10^19cm-3、Al浓度9×10^18cm-3的7.3mΩ·cm的N型碳化硅衬底,载流子迁移率为2.8×10^19cm-3。


参考文献

一种碳化硅器件用离子注入来形成高掺杂的制造方法与流程

小科普|一文看懂IGBT

零基础一文看懂IGBT芯片是如何工作的

http://www.360doc35.net/wxarticlenew/856201364.html

A Review of SiC IGBT Models, Fabrications, Characteristics, and Applications

来源: Rad聊碳化硅


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