面向高频高压应用的元胞级碳化硅功率集成芯片技术基础研究

Switching frequency of the existing SiC power circuit is greatly limited by the parasitic inductances through key commutation loop. However, the existing SiC integrated technology is just focused on the only single device and its driver. The single chip integration of the switching device is expected to solve this problem. This project aims to research on the scientific problems of High Voltage (HV) isolation, high voltage interconnection and large thickness high-k dielectric in SiC HV power integration, through mechanism modeling, design layout, fabrication development and performance testing. The project will study on fully compatible fabrication solutions, the separately grounded inter-cell static/dynamic electric field interference within the HV isolation device, and the law of impurity distribution disturbed by multiple thermal processes needed for integration. Then a cell-level integrated SiC high frequency high voltage integrated chip, the blocking voltage is not less than 1200V, the current is not less than 2A, including planar MOSFET, SBD and decoupling capacitor is developed, to realize the working frequency of 10MHz and a blocking voltage more than 800V.

当前碳化硅电力电子电路受其关键换流回路上寄生电感的影响，其工作频率远低于理论值，而现有的碳化硅应用技术集中于器件性能和驱动技术上，不能显著提高其电路的开关频率。通过将主电路开关器件进行单芯片元胞级功率集成，将为大幅度提高碳化硅电力电子电路的开关频率提供可能。本项目针对碳化硅元胞高压功率集成中的高压隔离、高压互连及大厚度高k介质这三个难题，拟通过机理建模、设计布局、工艺开发、性能测试开展研究。通过研究高压隔离中不共地元胞间的动静态电场干扰，以及工艺整合中多次热过程对杂质形态分布的影响规律等科学问题，本项目将形成一套完全兼容的碳化硅元胞级功率集成芯片设计和工艺流程方案，并最终研制出元胞级集成碳化硅平面MOSFET、SBD和解耦电容的高频高压集成芯片，阻断电压不低于1200V，电流不小于2A；并实现基于碳化硅高频高压元胞级集成芯片的高频高压 电路，工作电压达到800V，频率达到10MHz。

作为第三代宽禁带半导体的代表，碳化硅（SiC）拥有优异的材料特性，基于SiC半导体的功率器件在越来越多的应用场合中发挥优势。为了更进一步提升器件开关频率和功率密度，推动电力电子装置的高频化和小型化，这就需要降低电路中关键换流回路的寄生电感，为此课题组开展对碳化硅元胞级功率集成基础技术的研究。. 项目首先研究功率集成芯片在高压隔离和高压互连下的工作机理，建立元胞内外的电场分布耦合模型和互相干扰模式，并提出一种有效的隔离方案。同时借助TCAD软件优化结构参数，缓解局部电场拥挤，提升器件性能；也研究了大厚度高k介质Al2O3的生长淀积机制，基于此制备出高性能的高压解耦电容，并进一步探索介质的漏电机制和可靠性问题；通过整合包括高压隔离、互连在内的各项工艺，获得兼容工艺流程方案。. 基于此，成功研制出耐压1000V~1700V的SiC LMOS和1200V~1620V的SiC LJBS二极管，它们的最高品质因数BFOM分别为114.1MW/cm2和380.5MW/cm2，其性能处于同类SiC横向器件中最好的水平。此外，也对制备的功率集成芯片进行了电路功能的验证，探讨了芯片工作过程中出现的问题并提出相应的解决方案。通过以上研究，本项目形成一套SiC元胞级集成芯片的设计、工艺研究方法，为后续的碳化硅功率集成电路的研制提供一个极具前景的范例。