研究团队首次提出并制备了一种基于n型4H-SiC外延片的新型高压横向绝缘栅双极型晶体管（LIGBT）器件，它的漂移区采用p型浮空场环（FFR）结构和n型电流扩展层CSL结构，并且制备了三种不同宽度的WCSL的LIGBT器件。实验结果表明，当WCSL=1.8um时，漂移区长度为LDrift=75um时，LIGBT的击穿电压超过了1800V。结合CSL的FFR的引入不仅提高了BV，还引起了IE效应，确保了器件的高过流能力。
背景
传统的Si基器件面临其固有的局限，而SiC特别适合高压、大功率和高温应用，虽然垂直SiC器件如SiCMOSFET和IGBT引起高过流能力和低损耗得到了广泛研究和应用，但是横向SiC器件在需要集成功能应用中也是具有独特的优势。以前对横向SiC器件的研究主要集中在单极结构上，包括横向DMOSFET和JFET，它们在BV和低比导通电阻上的表现很优异，但是目前还缺乏双极型横向器件，特别是LIGBT，它的优势在于电导调制效应可以显著提高过流能力、降低正向压降等。
基于4H-SiC晶圆的p型外延层的LIGBT首次流片成功时，其BV为2670V，但因n漂移区较薄，LIGBT的过流能力较差，正向压降也相对较高。而且4H-SiC中的P型外延层比n型外延层具有更高的缺陷。
在这篇报道中，作者首次提出并实现了在n型SiC衬底上制备新型高压SiC基LIGBT结构，此结构采用了FFR和CSL等优化设计来提升器件性能，通过改变CSL宽度，来研究其对BV和IE效应等性能的影响。
器件结构介绍
下图展示了传统LIGBT（图a）和具有FFR的LIGBT(FFR-LIGBT)的结构示意图。器件被制造在掺杂浓度9.5e15/cm3、厚度为11um的n型SiC外延层上。这些参数都是垂直型SiCMOSFET上。器件漂移区宽度均为75um，栅氧厚度为50nm，同时采用了FFR和CSL。
设计中采用了不同的CSL宽度，即WCSL=1.8um、2.4um、3um，FFR由P+注入形成，共18个环，每个环宽为2um，18个环分为六组，第一组初始环间距为1.2um，并逐渐增大0.1um。第二组六个环环间距固定为1.7um，第三组六个环初始环间距为1.7um，并依次增大0.1um。
下图则是展示了器件的关键流片工艺。首先对晶圆进行检测和清洗，然后对Pwell、N+、P+和CSL区域进行离子注入，随后在1700℃下进行30min退火。随后，进行场氧的生长和刻蚀，然后对50nm的栅氧进行热氧化再退火处理。然后再进行Poly-Si沉积并刻蚀，并沉积ILD。随后形成Contact孔，并沉积刻蚀金属，最后沉积并刻蚀钝化层以形成Pad。
SiC基横向IGBT性能（SiCLIGBT）
器件的BV测试如下图所示，传统的LIGBT的BV仅为473V。在加入FFR结构后，BV显著改善，WCSL=1.8um时，BV达到了最大的1820V。随着WCSL增大，BV在下降，这是因为在相同的VCE下，随着WCSL的增加，Pwell拐角处的电场更大。
下图是器件击穿时电场在切线处的分布示意图。在C-LIGBT中，电场往往集中在Pwell的边缘区域，导致了过早的击穿，这极大地限制了耐压能力。通过在器件引入FFR结构来改变电场分布，这些场环被视为等势环，它分散了原本集中在边缘电场，从而降低了峰值电场强度。图b则是在VCE=1000V下的电场分布，可以看到，当WCSL处于最小值时，Pwell拐角处的峰值电场最低，形成了更加均匀的电场分布和更高的BV。FFR还调节了电场在空间上的梯度分布，理想情况下，为了充分利用材料的耐压特性，电场就应该更加均匀的分布在器件的整个耐压区域。FFR结构能够实现电场从Pwell拐角到集电极侧更加平滑的梯度过渡，避免了任何局部区域的电场抬高，从而增加了器件整体阻断能力。当WCSL逐渐减小时，器件中的峰值电场在各自的BV下保持不变，但是器件的电场分布变得更加均匀。
下图展示了在VCE=500V下阻断状态时C-LIGBT和在VCE=1200V下阻断状态FFR-LIGBT的电场分布：
C-LIGBT中最大电场达到了6.11MV/cm，超过了SiC的栅氧SiO2的安全电场强度。而在FFR-LIGBT即使在1200V下，最大电场也仅为4.06MV/cm。很明显FFR结构的引入有效降低了栅氧中的电场，从而提高了可靠性。
FFR结构优化了电场线的分布。最初，许多电场线直接从漂移区垂直穿过栅氧到达C-LIGBT中的栅极，场环的存在使得电场线在环附近发生弯曲，部分电场线沿着环的表面延伸，而不是集中穿过栅氧，从而降低了栅氧中的电场强度。
下图则是展示了C-LIGBT和FFR-LIGBT的IV特性。对于FFR-LIGBT，WCSL=2.4um时，Von略低于C-LIGBT的Von。当WCSL=3um时，Von降低了0.1V。（电流密度达25A/cm2时的VCE）。Pwell和第一个场环之间的JFET效应不会显著降低FFR-LIGBT的通流能力。
下图展示了相同掺杂和漂移区长度的C-LDMO和FFR-LIGBT的仿真IV特性。如果在LDMOS中增加相同的CSL和FFR结构，因为Pwell和第一个场环之间的JFET效应，这个LDMOS的通流能力稍稍下降。但是，FFR-LIGBT中，在某些CSL宽度下，通流能力可以比C-LIGBT的通流能力更强。
下图则是显示了CSL层中空穴浓度分布。FFR-LIGBT中的空穴浓度远高于C-LIGBT，这表明了注入效应更强。这也解释了为什么FFR-LIGBT的通流能力并不弱于C-LIGBT。在漂移区和CSL层之间建立了扩散电势，这阻碍了空穴的流出，在CSL层下方存在了空穴积累。当空穴的数量超过电子的数量时，这个区域就不能再维持电荷平衡的条件了，为了维持这个条件，器件发射极将会更多流经反型层沟道的电子注入到这个区域。这就相当于在靠近发射极一侧局部增加载流子浓度，降低了器件Von。
总结
这个研究了基于SiCn型外延片制备了新型的LIGBT器件。因为采用传统结构的LIGBT器件存在着BV较低，栅氧电场较强的问题这严重影响了器件可靠性。而新提出的FFR-LIGBT器件可以有效地提高器件的BV，同时有效降低栅氧中的电场。CSL的加入还增强了注入效应，使得器件具有较低的Von。因此在相同的工艺下，通过加入CSL和FFR结构，在SiCn型外延片上实现了具有较高的BV和较低的Von的LIGBT器件。
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