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摘 要：研究发现，氢离子注入可以抑制SiC功率半导体内部的堆垛层错的扩展。通过在功率半导体制造工艺之前实施氢离子注入，可以在不降低功率半导体的电气特性的情况下抑制堆垛层错的扩展，堆垛层错的扩展是导致双极退化问题的原因，通过氢离子注入可以实现高可靠性SiC功率半导体，有望为社会节约能源。
关键字：SiC功率半导体、氢离子注入、抑制堆垛层错、SiC二极管制造工艺、高可靠性半导体
研究小组成功地通过氢离子注入抑制了导致SiC功率半导体劣化的晶体缺陷的扩展。在传统的SiC功率半导体中存在着这样一个问题，即增加二极管电流会导致堆垛层错这一晶体缺陷的扩展，增加电阻。如图1的概念图所示，向SiC外延片注入氢离子抑制了堆垛层错的扩展，从而可以制造出保持长期可靠性的SiC功率半导体。这一成果将有助于实现低成本且高可靠性的SiC功率半导体。
图1 SiC外延片截面结构示意图。
(a)无氢离子注入的情况，(b)有氢离子注入的情况。
由于其优异的节能性，碳化硅(SiC)功率半导体逐渐得到普及，用于光伏发电的电压转换器或用于驱动火车和电动汽车等电机的半导体器件。然而，SiC功率半导体的价格高于传统使用的硅（Si）功率半导体，因此这限制了其可以应用的领域。
SiC功率半导体价格高的原因在于作为制造半导体元件基础的晶圆成本高昂，以及难以保证SiC功率器件的长期可靠性。其中，前者通过加大SiC晶圆的直径得到了改善，而后者是由SiC晶圆中存在的晶体缺陷所引起的，因此目前很难从根本上解决。
堆垛层错是对长期可靠性产生不利影响的SiC晶体缺陷之一。当电流流过由SiC功率半导体制成的二极管时，会出现堆垛层错扩展的现象，导致电阻增加。这种堆垛层错的扩展和伴随而来的电阻增加被称为双极性退化，其一直是影响SiC功率半导体长期可靠性的一个问题。
当一个被称为基面位错的位错分裂为两个部分位错并移动时，堆垛层错会随着两个部分位错之间距离的扩大而扩展。如图1（a）所示，用于制作SiC功率半导体的外延片具有外延层和衬底组成的双层结构，但大多数基面位错仅存在于衬底上，随后，作为堆垛层错从衬底向外延层方向扩展，增加了外延层的电阻。因此，如果能够阻止衬底的基面位错分裂成部分位错并向外延层内部移动的话，则可以抑制双极性退化。
因此，如图1（b）所示，研究小组通过使用加速能量MeV级的离子加速器进行氢离子注入，在外延/衬底界面附近引入了氢和点缺陷。由此可以使氢或点缺陷附着在部分位错上，阻止其移动，从而抑制堆垛层错的扩展。