碳化硅 (SiC) 是电力电子领域中最重要的半导体材料之一，在新能源汽车、太阳能和风能等领域存在广泛的应用前景。SiC功率器件目前的市场占有率已超越15亿美元并且呈现出越来越迅速的发展的新趋势，预计在2025年SiC功率器件总市场占有率将超过35亿美元。SiC MOSFET技术的成熟是当前碳化硅功率器件大规模应用最重要的技术关隘。其核心技术瓶颈是SiC MOSFET 栅氧层界面质量差导致沟道迁移率低（通常低于10 cm/V·s），使得沟道开态电阻过高，能源转换效率严重受限。低沟道迁移率主要是由于在SiC热氧化形成二氧化硅（SiO界面的碳残留是导致高密度界面态的根本原因。目前，降低这种界面缺陷的标准程序是在一氧化氮 (NO) 或一氧化二氮 (NO) 中高温退火，称为后氧化退火 (POA)，其典型温度范围为 1000°C至1500°C。然而这样的高温钝化工艺，没办法避免界面处再氧化而导致额外缺陷，从而严重限制了界面质量的提升效果。此外，在磷基环境中进行高温退火和使用沉积的高 k 电介质（如三氧化二铝）来代替热氧化物等技术方案，则往往导致栅氧层可靠性的降低和较高的漏电流。SiC MOSFET的栅氧层界面质量上的问题是该领域的重大技术瓶颈。

　　超临界流体工艺处理后获得高质量的SiO2/SiC界面和高迁移率的SiC MOSFET

　　为解决以上技术瓶颈，西安交通大学微电子学院耿莉教授、刘卫华教授团队与西安电子科技大学郝跃院士共同合作，提出了一种使用低温超临界二氧化碳(SCCO2) 或超临界一氧化二氮 (SCN2O) 流体的低温退火工艺，以提高4H-SiC MOSFET中4H-SiC/SiO2界面的质量。通过增加压力，二氧化碳（CO2）和 一氧化二氮（N2O） 在接近室温时更容易进入超临界流体 (SCF) 状态。SCF态是物质的一种特殊相，它具有气体一样的高渗透能力和液体一样的高溶解度，基本上没有表面张力，因此，可以将 SCCO2或 SCN2O 流体引入界面来减小陷阱，而不会造成新的损伤。实验证明，使用SCF在120°C下进行的退火工艺在提高 MOSFET 器件中的 4H-SiC/SiO2质量方面很有效，在 (0001) Si 面上制造的横向 4H-SiC MOSFET 的峰值场效应迁移率高达72.3 cm2/V · s，大约是氮氧后氧化退火工艺的最新结果的两倍。低温避免了高温的再氧化和材料分解问题，因而明显提高了介电层的可靠性。该研究成果不仅实现了高质量的SiO2/SiC界面、高的沟道迁移率和介电可靠性，更令人鼓舞的是，所提出的高效低温退火工艺与标准 SiC MOSFET 制造工艺兼容，为制备高性能SiC MOSFET器件提供了新的有效方法，方便用于商用器件的制备。

　　IEDM始于1955年，具有六十多年历史，是微电子器件领域的顶级会议。该会议主要报道国际半导体和电子器件方面的最新研究进展，是著名高校、研发机构和行业领军企业报告其技术突破的重要平台，每年英特尔（Intel）、三星（Samsung）、台积电（TSMC）和国际商业机器公司（IBM）等国际知名半导体公司都利用这个会议发布最新研究成果，具有“风向标”的作用，在国际半导体技术领域具有权威的学术地位和广泛的影响力。

　　上一条：人居学院王沣浩教授团队项目获2021年工程建设科技奖科学技术进步一等奖