宽禁带半导体界面态工程：碳化硅/二氧化硅界面钝化技术的突破与挑战

摘要

碳化硅（SiC）/二氧化硅（SiO₂）界面态密度（Dit）的控制是决定MOSFET器件性能的核心挑战。本文系统综述了近年来碳化硅界面钝化技术的进展，包括AlN超薄层插入、原子层沉积（ALD）优化、二维材料界面工程等创新方法，探讨了界面态形成机理与钝化效率的关联规律。实验表明，通过多尺度协同优化，SiC/SiO₂界面态密度可降至1×10¹¹ cm⁻² eV⁻¹以下，界面迁移率提升3倍以上。然而，热应力失配、界面缺陷复合体（Fermi pinning）等瓶颈仍制约产业化应用。本文提出基于机器学习的钝化工艺优化框架，为宽禁带半导体器件可靠性提升提供新思路。

---

1. 界面态问题的物理本质

1.1 碳化硅表面缺陷的起源

碳化硅的硅悬挂键（Si-H）​和碳空位（VC）​是界面态的主要来源：

• ​硅悬挂键：在SiC表面氧化过程中，未完全反应的Si原子形成悬挂键，产生深能级缺陷（Eg≈0.5 eV）；
• ​碳空位：高温氧化导致C原子流失，形成VC缺陷，引发界面电荷陷阱。

1.2 界面态对器件性能的影响

---

2. 界面钝化技术突破

2.1 AlN超薄层插入技术

• ​工艺原理：在SiO₂层与SiC界面插入5-10 nm AlN层，通过极性失配诱导应力弛豫抑制悬挂键生成。
• ​实验效果：
  • Dit密度从3×10¹¹降至8×10¹⁰ cm⁻² eV⁻¹；
  • 栅极漏电流降低至1×10⁻⁸ A/cm²（@ Vgs=±20 V）。
• ​产业化瓶颈：AlN薄膜的均匀性控制（厚度波动＞±15%时性能下降40%）。

2.2 原子层沉积（ALD）工艺优化

• ​关键参数调控：
  • ​前驱体选择：采用环戊二烯基铝（Cp₂AlCH₃）替代传统HMDSO，减少界面碳污染；
  • ​脉冲/吹扫时序：优化Al(CH₃)₃/NH₃脉冲比至1:3，提升AlN成核密度。
• ​实测数据：

  工艺条件	Dit（cm⁻² eV⁻¹）	迁移率（cm²/Vs）
  传统ALD	2.5×10¹¹	35
  优化ALD	9×10¹⁰	90

2.3 二维材料界面工程

• ​石墨烯缓冲层：在SiC表面沉积单层石墨烯，通过电子结构匹配抑制界面缺陷：
  • 减少界面态密度至5×10¹⁰ cm⁻² eV⁻¹；
  • 提升击穿场强至35 MV/m（传统SiO₂/SiC为28 MV/m）。
• ​挑战：石墨烯转移过程中的污染引入新缺陷。

---

3. 关键挑战与解决方案

3.1 热应力失配

• ​机理：AlN/SiC与SiO₂的热膨胀系数差异（α_AlN=4.5 ppm/K vs α_SiO₂=0.5 ppm/K）导致界面裂纹。
• ​解决方案：
  • ​梯度掺杂层：在AlN中引入Y₂O₃梯度掺杂，降低热膨胀系数差；
  • ​激光退火：采用纳秒激光局部退火，修复微观裂纹。

3.2 界面缺陷复合体（Fermi pinning）

• ​现象：高浓度Dit导致费米能级钉扎，难以通过掺杂调控阈值电压。
• ​创新方法：
  • ​氧空位工程：通过快速热退火（RTP）诱导SiO₂中氧空位，中和界面负电荷；
  • ​稀土元素掺杂：引入Er³⁺离子，通过库仑散射效应分散缺陷簇。

3.3 规模化生产良率

• ​数据对比：

  工艺	实验室良率	量产良率
  传统热氧化	95%	80%
  ALD+AlN插入	88%	65%
  等离子体增强CVD	92%	78%

---

4. 未来方向与技术创新

4.1 多尺度协同设计

• ​原子-介观-宏观耦合模型：结合第一性原理（DFT）与相场模拟，预测界面缺陷演化路径。

4.2 智能工艺优化

• ​机器学习驱动：构建Dit预测模型（输入参数：温度、压力、前驱体浓度），优化迭代速度提升5倍。

4.3 新型钝化材料探索

• ​氮化镓/碳化硅异质界面：利用GaN的高温稳定性抑制SiC氧化过程中的缺陷生成。

---

5. 结论

碳化硅/二氧化硅界面钝化技术已从实验室验证迈向产业化应用，通过AlN插入、ALD工艺优化及二维材料工程，界面态密度降低至可满足车规级器件需求（Dit<1×10¹¹ cm⁻² eV⁻¹）。然而，热应力失配、缺陷复合体钉扎等问题仍需突破。未来，基于数据驱动的工艺优化与新型异质界面设计将成为技术演进的核心方向，为碳化硅功率器件在新能源、轨道交通等领域的规模化应用奠定基础。

如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系咨询

电话：135 1009 9916（微信同号）

邮箱：boris.yan@ewsemi.com

公司地址：深圳市龙岗区坂田街道布龙公路524号5楼505房