碳化硅電子器件發(fā)展分析報(bào)告

1、 實(shí)用文檔碳化硅電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀分析目 錄1. sic器件的材料與制造工藝 . 21.1 sic單晶 . 21.2 sic外延 . 31.3 sic器件工藝 . 42. sic二極管實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 . 53. sic jfet器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展 . 74. sic mosfet器件實(shí)用化取得突破 . 75. sic igbt器件 . 86. sic功率雙極器件 . 97. sic 功率模塊 . 108. 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 . 119. sic電力電子器件面對(duì)的挑戰(zhàn) . 119.1 芯片制造成本過(guò)高. 119.2 材料缺陷多，單個(gè)芯片電流小. 129.3 器件封裝材料與技術(shù)有待提高. 1210.

2、小結(jié) . 12文案大全 實(shí)用文檔在過(guò)去的十五到二十年中，碳化硅電力電子器件領(lǐng)域取得了令人矚目的成就，所研發(fā)的碳化硅器件的性能指標(biāo)遠(yuǎn)超當(dāng)前硅基器件，并且成功實(shí)現(xiàn)了部分碳化硅器件的產(chǎn)業(yè)化，在一些重要的能源領(lǐng)域開(kāi)始逐步取代硅基電力電子器件，并初步展現(xiàn)出其巨大的潛力。碳化硅電力電子器件的持續(xù)進(jìn)步將對(duì)電力電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起到革命性的推動(dòng)作用。隨著 sic單晶和外延材料技術(shù)的進(jìn)步，各種類型的 sic器件被開(kāi)發(fā)出來(lái)。sic器件主要包括二極管和開(kāi)關(guān)管。sic二極管主要包括肖特基勢(shì)壘二極管及其新型結(jié)構(gòu)和 pin型二極管。sic開(kāi)關(guān)管的種類較多，具有代表性的開(kāi)關(guān)管有金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管（mosfet）、

3、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管（jfet）、絕緣柵雙極開(kāi)關(guān)管（igbt）三種。1. sic器件的材料與制造工藝1.1 sic單晶碳化硅早在 1842年就被發(fā)現(xiàn)了，但直到 1955年，飛利浦（荷蘭）實(shí)驗(yàn)室的 lely才開(kāi)發(fā)出生長(zhǎng)高品質(zhì)碳化硅晶體材料的方法。到了 1987年，商業(yè)化生產(chǎn)的 sic襯底進(jìn)入市場(chǎng)，進(jìn)入 21世紀(jì)后，sic襯底的商業(yè)應(yīng)用才算全面鋪開(kāi)。碳化硅分為立方相（閃鋅礦結(jié)構(gòu)）、六方相（纖鋅礦結(jié)構(gòu)）和菱方相 3大類共 260多種結(jié)構(gòu)，目前只有六方相中的 4h-sic、6h-sic才有商業(yè)價(jià)值，美國(guó)科銳（cree）等公司已經(jīng)批量生產(chǎn)這類襯底。立方相（3c-sic）還不能獲得有商業(yè)價(jià)值的成品。sic單晶

4、生長(zhǎng)經(jīng)歷了 3個(gè)階段, 即 acheson法、lely法、改良 lely法。利用 sic高溫升華分解這一特性，可采用升華法即 lely法來(lái)生長(zhǎng) sic晶體。升華法是目前商業(yè)生產(chǎn) sic單晶最常用的方法，它是把sic粉料放在石墨坩堝和多孔石墨管之間，在惰性氣體（氬氣）環(huán)境溫度為 2 500的條件下進(jìn)行升華生長(zhǎng)，可以生成片狀 sic晶體。由于 lely法為自發(fā)成核生長(zhǎng)方法，不容易控制所生長(zhǎng) sic晶體的晶型，且得到的晶體尺寸很小，后來(lái)又出現(xiàn)了改良的 lely法。改良的 lely法也被稱為采用籽晶的升華法或物理氣相輸運(yùn)法 (簡(jiǎn)稱 pvt法)。pvt法的優(yōu)點(diǎn)在于：采用 sic籽晶控制所生長(zhǎng)晶體的晶型，

5、克服了 lely法自發(fā)成核生長(zhǎng)的缺點(diǎn)，可得到單一晶型的 sic單晶，且可生長(zhǎng)較大尺寸的 sic單晶。 國(guó)際上基本上采用 pvt法制備碳化硅單晶。目前能提供 4h-sic晶片的企業(yè)主要集中在歐美和日本。其中 cree產(chǎn)量占全球市場(chǎng)的 85%以上，占領(lǐng)著 sic晶體生長(zhǎng)及相關(guān)器件制作研究的前沿。目前，cree的 6英寸 sic晶片已經(jīng)商品化,可以小批量供貨。此外，國(guó)內(nèi)外還有一些初具規(guī)模的 sic晶片供應(yīng)商，年銷售量在 1萬(wàn)片上下。cree生產(chǎn)的 sic晶片有 80%以上是自己消化的，用于 led襯底材料，所以 cree是全球文案大全 實(shí)用文檔唯一一家大量生產(chǎn) sic基 led器件的公司，這個(gè)業(yè)務(wù)使

6、得它的市場(chǎng)表現(xiàn)突出，公司市盈率長(zhǎng)期居于高位。目前已出現(xiàn)了另一種碳化硅晶體生長(zhǎng)方法，即采用高溫化學(xué)氣相沉積方法（htcvd）。它是用氣態(tài)的高純碳源和硅源，在 2200左右合成碳化硅分子，然后在籽晶上凝聚生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率一般為 0.51mm/h左右，略高于 pvt法，也有研究機(jī)構(gòu)可做到 2mm/h的生長(zhǎng)速率。氣態(tài)的高純碳源和硅源比高純sic粉末更容易獲得，成本更低。由于氣態(tài)源幾乎沒(méi)有雜質(zhì)，因此，如果生長(zhǎng)時(shí)不加入 n型摻雜劑或 p型摻雜劑，生長(zhǎng)出的 4h-sic就是高純半絕緣（hpsi）半導(dǎo)體。hpsi與 si是有區(qū)別的，前者載流子濃度3.5101381015/cm3范圍，具有較高的電子遷移率；后者同

7、時(shí)進(jìn)行 n、p補(bǔ)償，是高阻材料，電阻率很高，一般用于微波器件襯底，不導(dǎo)電。如果要生長(zhǎng) n型摻雜或 p型摻雜的 4h-sic也非常好控制，只要分別通入氮或者硼的氣態(tài)源就可以實(shí)現(xiàn)，而且通過(guò)控制通入的氮或者硼的流量，就可以控制碳化硅晶體的導(dǎo)電強(qiáng)弱。目前瑞典的 norstel ab公司采用 htcvd商業(yè)化生產(chǎn)碳化硅襯底材料（n型、p型、hpsi型），目前已有 4英寸 hpsi型 4h-sic襯底出售。1.2 sic外延為了制造碳化硅半導(dǎo)體器件，需要在碳化硅晶片表面生長(zhǎng) 1層或數(shù)層碳化硅薄膜。這些薄膜具有不同的 n、p導(dǎo)電類型，目前主流的方法是通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行同質(zhì)外延生長(zhǎng)。 碳化硅外延生長(zhǎng)方案

8、中，襯底起很大的支配作用，早期碳化硅是在無(wú)偏角襯底上外延生長(zhǎng)的，即從晶錠上切割下來(lái)的晶片其外延表面法線與晶軸(c軸)夾角=0，如碳化硅晶片的 si(0001)或 c(000)面，外延表面幾乎沒(méi)有臺(tái)階，外延生長(zhǎng)期望能夠由理想的二維成核生長(zhǎng)模型控制。然而實(shí)際生長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)，外延結(jié)果遠(yuǎn)未如此理想。由于碳化硅是一種多型體材料，外延層中容易產(chǎn)生多型體夾雜，比如4h-sic外延層中存在 3c-sic夾雜，使外延層“不純”，變成一種混合相結(jié)構(gòu)，極大地影響碳化硅器件的性能，甚至不能用這樣的外延材料制備器件。另外，這樣的外延層宏觀外延缺陷密度很大，不能用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝制備器件，即薄膜質(zhì)量難于達(dá)到晶圓級(jí)外延水平。后來(lái)

9、發(fā)展了偏 8斜切碳化硅襯底，經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展完善，現(xiàn)在己經(jīng)成為碳化硅外延的主要技術(shù)方案。與無(wú)偏角襯底比較起來(lái)，偏 8斜切襯底的外延表面有很高的臺(tái)階密度，且臺(tái)面長(zhǎng)度很短，一般為十幾納米，反應(yīng)物容易從臺(tái)面上遷移到臺(tái)階扭折處。外延時(shí)，不必等著扭折沿臺(tái)面運(yùn)動(dòng)到表面邊緣，所有的扭折可以同時(shí)以相似類的速率運(yùn)動(dòng)，直至外延生長(zhǎng)結(jié)束，這就是所謂的臺(tái)階流控制(step-flow)外延生長(zhǎng)機(jī)制。雖文案大全 實(shí)用文檔然在偏 8斜切襯底上外延時(shí)可以利用臺(tái)階流進(jìn)行控制生長(zhǎng)，較好地解決了多型體夾雜及相應(yīng)的宏觀缺陷等問(wèn)題，但是它也有其固有劣勢(shì)。cree在 sic襯底制備方面具有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先地位，它的產(chǎn)品是業(yè)界的風(fēng)向標(biāo)，代表了

10、需求的發(fā)展方向。首先，襯底斜切，在增加外延臺(tái)階的同時(shí)，也引入了基平面位錯(cuò)，其次，襯底斜切，襯底產(chǎn)率降低，造成了很大的原材料浪費(fèi)，增加了襯底制備的成本。當(dāng)晶圓直徑增大時(shí)，這個(gè)問(wèn)題變得更加突出。cree現(xiàn)在供應(yīng)的主流襯底片主要是 4英寸和 6英寸大尺寸晶片，其中 4英寸片提供斜切偏角為 4以及無(wú)偏角的，8的可以定制；6英寸片只提供無(wú)偏角的，對(duì)于相同規(guī)格(產(chǎn)品等級(jí)、摻雜類型、微管密度等)的襯底片，偏 8的比偏 4的貴約 1000美元，偏 4的比無(wú)偏角的貴約 1200美元，當(dāng)襯底片用量很大時(shí)，這是一個(gè)很可觀的數(shù)目。因此，從以上分析并結(jié)合目前發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，大偏角斜切襯底必然是一個(gè)過(guò)渡方案，在世界各國(guó)科技

11、人員的努力下，外延要回歸到小偏角斜切襯底方向上來(lái)?，F(xiàn)在 cree主推偏角為 4襯底。1.3 sic器件工藝雖然碳化硅器件工藝和設(shè)備都與硅器件有很強(qiáng)的兼容性，但也遠(yuǎn)不是可以原封不動(dòng)地照搬。與硅相比，碳化硅器件工藝的溫度一般要高得多。碳化硅晶片較小、易碎、透明、難適應(yīng)，倒是一些大學(xué)實(shí)驗(yàn)室比較靈活，而且價(jià)格昂貴，大公司的生產(chǎn)線較成為開(kāi)發(fā)碳化硅器件工藝的主力。摻雜是最基本的器件工藝。由于一般雜質(zhì)在碳化硅中的擴(kuò)散系數(shù)跟在 si0 中一樣低，2在適合于對(duì)碳化硅進(jìn)行有效雜質(zhì)擴(kuò)散的溫度下，si02已失去了對(duì)雜質(zhì)的掩蔽作用，而且碳化硅本身在這樣的高溫下也不穩(wěn)定，因此不宜采用擴(kuò)散摻雜，而主要靠離子注入和材料制各過(guò)

12、程中的伴隨摻雜來(lái)滿足制造碳化硅器件的需要。在碳化硅材料的氣相生長(zhǎng)過(guò)程中，n型摻雜一般用電子級(jí)純度的氮做摻雜劑，p型摻雜一般使用三甲基鋁。n型離子注入的雜質(zhì)一般也是氮。氮離子注入對(duì)晶格的損傷比較容易用退火的方式消除。p型離子注入的雜質(zhì)一般也是鋁。由于鋁原子比碳原子大得多，注入對(duì)晶格的損傷和雜質(zhì)處于未激活狀態(tài)的情況都比較嚴(yán)重，往往要在相當(dāng)高的襯底溫度下進(jìn)行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來(lái)了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問(wèn)題。殘留碳如果能形成石墨態(tài)碳膜，會(huì)對(duì)阻止表面繼續(xù)分解起一定作用。于是，尺寸與碳比較相當(dāng)?shù)呐鹨渤蔀槌Ｓ玫?p型注入雜質(zhì)。目前，p型離子注入的問(wèn)題還比較多，從雜質(zhì)選擇到退火溫度的一

13、系列工藝參數(shù)都還需要優(yōu)化，而p型離子注入對(duì)提高功率 mos的溝道遷移率又十分重要。文案大全 實(shí)用文檔柵氧化物與碳化硅之間的界面缺陷對(duì)功率 mos的溝道遷移率也有十分重要的影晌，因而柵氛化物的生長(zhǎng)或淀積十分關(guān)鍵。除類似于硅的熱氧化之外，碳化硅還可用燃燒法生長(zhǎng)柵氧化物，而且這種方法產(chǎn)生的界面態(tài)密度較低。用熱氧化法在no中生長(zhǎng)柵氧化物也能降低界面態(tài)的密度。就同樣的柵氧化物生長(zhǎng)方法而言，6h-sic比 4h-sic的溝道遷移率要高一些;而就體材料中的載流子遷移率而言，是 4h-sic比 6h-sic高。這說(shuō)明4h-sic的氧化物界面缺陷問(wèn)題比較嚴(yán)重。使用 1400 高溫快速退火法，n型和 p型 4h-

14、sic的歐姆接觸都可以做到單位面積接觸電阻低達(dá) 10 cm 量級(jí)的水平，所用的電極材料分別是ni和 a1。不過(guò)這種接觸在-52400c以上的熱穩(wěn)定性較差。對(duì) p型 4h-sic采用 al/ni/w/au復(fù)合電極可以把熱穩(wěn)定性提高到 600100小時(shí)，不過(guò)其接觸比電阻高達(dá) 10 cm。采用tac和 alsi合金電極也-32可獲得類似效果。6h-sic比 4h-sic容易獲得低阻歐姆接觸，其接觸比電阻可低達(dá) 10-6 cm。2在高壓硅器件中采用的多數(shù)終端技術(shù)和鈍化技術(shù)，比如場(chǎng)板、場(chǎng)環(huán)和結(jié)終端等也適用與碳化硅器件。除此而外，在結(jié)終端注入大劑量 ar或 b，借損傷晶格形成高阻區(qū)，起類似于硅功率器件中半

15、絕緣多晶硅(sipos )的作用，也有明顯效果。若在 ar、b離子注入后再在 600退火，器件的反向特性還會(huì)進(jìn)一步改善。目前 sic功率器件封裝工藝及方法通常借鑒 si igbt封裝技術(shù)，在 dbc布局、芯片鍵合、高溫焊料、硅凝膠填充、密封材料等方面還存在一些問(wèn)題，針對(duì)sic器件封裝特殊要求，三菱、塞米控、富士等公司在封裝材料及結(jié)構(gòu)方面提出了新的思路，如三菱公司銅針布線技術(shù)，塞米控公司低溫納米銀燒結(jié)技術(shù)，富士公司低電感和優(yōu)化的dbc布局設(shè)計(jì)。2. sic二極管實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化sic 電力電子器件中， sic 二極管最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。一般可分為肖特基二極管(schottky barrier diode，

16、 sbd)、 pin 二 極 管 和 結(jié) 勢(shì) 壘 控 制 肖 特 基 二 極 管(junction barrier schottky， jbs)三種。在 5kv阻斷電壓以下的范圍，碳化硅 sbd具有一定的優(yōu)勢(shì)，而對(duì)于 pin結(jié)二極管，由于其內(nèi)部的電導(dǎo)調(diào)制作用而呈現(xiàn)出較低的導(dǎo)通電阻，使得它更適合制備 45kv 或者以上電壓等級(jí)的器件。jbs 二極管則結(jié)合了肖特基二極管所擁有的出色的開(kāi)關(guān)特性和 pin 結(jié)二極管所擁有的低漏電流的特點(diǎn)。另外，把 jbs 二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝稍作調(diào)整就可以形成混合pin-肖特基結(jié)二極管文案大全 實(shí)用文檔(merged pin schottky， mps)。2001

17、年德國(guó) infineon公司率先推出 sic二極管產(chǎn)品，美國(guó) cree和意法半導(dǎo)體等廠商也緊隨其后推出了 sic二極管產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無(wú)線及瑞薩電子等投產(chǎn)了sic二極管。很多企業(yè)在開(kāi)發(fā)肖特基勢(shì)壘二極管（sbd）和 jbs結(jié)構(gòu)二極管。目前，sic二極管已經(jīng)存在 600v1700v電壓等級(jí)和 50a電流等級(jí)的產(chǎn)品。sic 肖特基二極管能提供近乎理想的動(dòng)態(tài)性能。做為單子器件，它的工作過(guò)程中沒(méi)有電荷儲(chǔ)存，因此它的反向恢復(fù)電流僅由它的耗盡層結(jié)電容造成，其反向恢復(fù)電荷以及其反向恢復(fù)損耗比 si超快恢復(fù)二極管要低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。更重要的是，和它匹配的開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗也可以得到大幅度減少，因此提高電

18、路的開(kāi)關(guān)頻率。另外，它幾乎沒(méi)有正向恢復(fù)電壓，因而能夠立即導(dǎo)通，不存在雙極型器件的開(kāi)通延時(shí)現(xiàn)象。在常溫下，其正態(tài)導(dǎo)通壓降和 si超快恢復(fù)器件基本相同，但是由于 sic 肖特基二極管的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，這將有利于將多個(gè) sic肖特基二極管并聯(lián)。在二極管單芯片面積和電流受限的情況下，這可以大幅度提高 sic肖特基二極管的容量，使它在較大容量中的應(yīng)用成為可能。目前實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的最大容量的 sic二極管已經(jīng)達(dá)到了 6500v/1000a的水平。由于 sic開(kāi)關(guān)管的發(fā)展相對(duì)二極管滯后，當(dāng)前更普遍的做法是將 sic 二極管和 si igbt和 mosfet器件封裝在一個(gè)模塊中以形成大功率開(kāi)關(guān)組合。目前

19、cree公司、microsemi公司、infineon公司、rohm公司的 sic肖特基二極管用于變頻或逆變裝置中替換硅基快恢復(fù)二極管，顯著提高了工作頻率和整機(jī)效率。中低壓 sic肖特基二極管目前已經(jīng)在高端通訊開(kāi)關(guān)電源、光伏并網(wǎng)逆變器領(lǐng)域上產(chǎn)生較大的影響。sic肖特基二極管的發(fā)展方向是襯底減薄技術(shù)和 trench jbs結(jié)構(gòu)。襯底減薄技術(shù)能夠有效地減小低壓 sic肖特基二極管的導(dǎo)通電阻，增強(qiáng)器件浪涌電流能力，減小器件熱阻。infineon公司于 2012年 9月發(fā)布第五代 sic sbd產(chǎn)品，首次采用襯底減薄技術(shù)。在 sic晶格里，jbs結(jié)構(gòu)中離子注入 p阱的深度受到限制（1um），反偏條件下

20、淺 p-n結(jié)對(duì)肖特基結(jié)的屏蔽作用不是特別明顯，只有在相鄰 p阱之間的間距較小時(shí)才能突顯出來(lái)，但同時(shí)帶來(lái)的正向?qū)系缹挾茸冋?yīng)使得正向?qū)▔航碉@著增加。為了解決這一問(wèn)題，新一代 sic肖特基二極管的發(fā)展方向是 trench jbs結(jié)構(gòu)。cree公司新一代 sic肖特基二極管同時(shí)采用 trench jbs結(jié)構(gòu)和襯底減薄技術(shù)，與傳統(tǒng)的 jbs二極管相比，正反向特性都得到了改善，不僅增加了電流密度（芯片面積減小 50%）；也提高了阻斷電壓（提高 150v）和雪崩能力。文案大全 實(shí)用文檔3. sic jfet器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展碳化硅 jfet有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點(diǎn)，是目前發(fā)展較快的碳化

21、硅器件之一，并且率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。與 mosfet器件相比，jfet器件不存在柵氧層缺陷造成的可靠性問(wèn)題和載流子遷移率過(guò)低的限制，同時(shí)單極性工作特性使其保持了良好的高頻工作能力。另外，jfet器件具有更佳的高溫工作穩(wěn)定性和可靠性。碳化硅 jfet器件的門極的結(jié)型結(jié)構(gòu)使得通常 jfet的閾值電壓大多為負(fù)，即常通型器件，這對(duì)于電力電子的應(yīng)用極為不利，無(wú)法與目前通用的驅(qū)動(dòng)電路兼容。美國(guó) semisouth公司和rutgers大學(xué)通過(guò)引入溝槽注入式或者臺(tái)面溝槽結(jié)構(gòu)（ti vjfet）的器件工藝，開(kāi)發(fā)出常斷工作狀態(tài)的增強(qiáng)型器件。但是增強(qiáng)型器件往往是在犧牲一定的正向?qū)娮杼匦缘那闆r下形成的，因此常通型（

22、耗盡型）jfet更容易實(shí)現(xiàn)更高功率密度和電流能力，而耗盡型 jfet器件可以通過(guò)級(jí)聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)常斷型工作狀態(tài)。級(jí)聯(lián)的方法是通過(guò)串聯(lián)一個(gè)低壓的 si基 mosfet來(lái)實(shí)現(xiàn)。級(jí)聯(lián)后的 jfet器件的驅(qū)動(dòng)電路與通用的硅基器件驅(qū)動(dòng)電路自然兼容。級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)非常適用于在高壓高功率場(chǎng)合替代原有的硅igbt器件，并且直接回避了驅(qū)動(dòng)電路的兼容問(wèn)題。目前，碳化硅 jfet器件以及實(shí)現(xiàn)一定程度的產(chǎn)業(yè)化，主要由infineon和 siced公司推出的產(chǎn)品為主。產(chǎn)品電壓等級(jí)在1200v、1700v，單管電流等級(jí)最高可以達(dá) 20a，模塊的電流等級(jí)可以達(dá)到 100a以上。2011年，田納西大學(xué)報(bào)到了 50kw的碳化硅模塊，

23、該模塊采用 1200v/25a的 sic jfet并聯(lián)，反并聯(lián)二極管為 sic sbd。2011年 ，global powerelectronics研制了使用 sic jfet制作的高溫條件下 sic三相逆變器的研究，該模塊峰值功率為 50kw（該模塊在中等負(fù)載等級(jí)下的效率為 98.5%10khz、10kw，比起 si模塊效率更高。2013年 rockwell 公司采用 600v /5a mos增強(qiáng)型 jfet以及碳化硅二極管并聯(lián)制作了電流等級(jí)為 25a的三相電極驅(qū)動(dòng)模塊，并與現(xiàn)今較為先進(jìn)的igbt、pin二極管模塊作比較：在同等功率等級(jí)下（25a/600v），面積減少到60%，該模塊旨在減小

24、通態(tài)損耗以及開(kāi)關(guān)損耗以及功率回路當(dāng)中的過(guò)壓過(guò)流。4. sic mosfet器件實(shí)用化取得突破碳化硅mosfet一直是最受矚目的碳化硅開(kāi)關(guān)管，它不僅具有理想的柵極絕緣特性、高速的開(kāi)關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性，而且其驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單，并與現(xiàn)有的電力電子器件（硅功率 mosfet和 igbt）驅(qū)動(dòng)電路的兼容性是碳化硅器件中最好的。sic mosfet器件長(zhǎng)期面臨的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)是柵氧層的長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題和溝道電阻文案大全 實(shí)用文檔問(wèn)題。其中溝道電阻大導(dǎo)致導(dǎo)通時(shí)的損耗大，為減少導(dǎo)通損耗而降低導(dǎo)通電阻和提高柵氧層的可靠性的研發(fā)一直在進(jìn)行。降低導(dǎo)通電阻的方法之一是提高反型溝道的載流子遷移率，減小溝道電阻。為

25、了提高碳化硅 mosfet柵氧層的質(zhì)量，降低表面缺陷濃度，提高載流子數(shù)量和遷移率，一種最通用的辦法是實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)界面的氮注入，也被稱為界面鈍化，即在柵氧層生長(zhǎng)過(guò)程結(jié)束后，在富氮的環(huán)境中進(jìn)行高溫退火，這樣可以實(shí)現(xiàn)溝道載流子遷移率的提高，從而減小溝道電阻，減小導(dǎo)通損耗。降低導(dǎo)通電阻的方法之二是采用在柵極正下方開(kāi)掘溝槽的溝槽型柵極結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)投產(chǎn)的 sic mosfet都是“平面型”。平面型在為了降低溝道電阻而對(duì)單元進(jìn)行微細(xì)化時(shí)，容易導(dǎo)致jfet電阻增大的問(wèn)題，導(dǎo)通電阻的降低方面存在一定的局限性。而溝槽型在構(gòu)造上不存在jfet電阻。因此，適于降低溝道電阻、減小導(dǎo)通電阻，但是si溝槽型 mosfet目前

26、尚未解決溝槽刻蝕之后側(cè)壁溝道的表面問(wèn)題。美國(guó) cree和日本 rohm公司已經(jīng)能提供業(yè)界領(lǐng)先的碳化硅的 mosfet器件。美國(guó)已經(jīng)將碳化硅 mosfet器件應(yīng)用于開(kāi)發(fā) 2.7mva的固態(tài)功率變電站，該固態(tài)功率變電站可能將被應(yīng)用于美國(guó)下一代航空母艦 cvn-21的配電系統(tǒng)中。采用全碳化硅功率模塊，可以使傳統(tǒng)的低頻（60hz）變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l（20khz）固態(tài)功率變電站，預(yù)計(jì)使變壓器的重量由 6噸降低到 1.7噸，體積從 10立方米降低到 2.7立方米，大大提高艦船系統(tǒng)的性能。2012年，日本三菱電機(jī)通過(guò)使用碳化硅制造的 mosfet和肖特基二極管，研發(fā)出一個(gè)達(dá) 11kw逆變器，它比基于硅器件制造

27、的逆變器，降低能源損耗達(dá)七成，輸出功率為 10w/cm3。日本三菱電機(jī)報(bào)道了使用強(qiáng)制風(fēng)冷的三相 400v輸出全碳化硅逆變器，采用了碳化硅 jfet和碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管，這套裝置的功率密度達(dá)到了 50kva/升，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的硅基裝置。2013年 3月美國(guó) cree發(fā)布第 2代 sic mosfet。與第 1代產(chǎn)品相比，通過(guò)縮小芯片面積等手段壓縮了成本。以耐壓為1.2kv的品種為例，第2代芯片面積比第 1代縮小了約 40%。5. sic igbt器件由于受到工藝技術(shù)的制約，碳化硅 igbt的起步較晚，高壓碳化硅igbt面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)：第一個(gè)挑戰(zhàn)與碳化硅 mosfet器件相同，溝道缺陷導(dǎo)致的可靠性

28、以及低電子遷移率問(wèn)題；第二個(gè)挑戰(zhàn)是 n型 igbt需要 p型襯底，而 p型襯底的電阻率比 n型襯底的電阻率高 50倍。因此，1999年制成的第一個(gè) igbt采用了 p型襯底。經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，逐步克服了 p型襯底的電阻問(wèn)題，2008年報(bào)道了 13kv的 n溝道碳化硅 igbt器件，比導(dǎo)通電文案大全 實(shí)用文檔阻達(dá)到 22mcm。有報(bào)道對(duì) 15kv的 n-igbt和 mosfet的正向?qū)芰ψ隽艘粋€(gè)比較，2結(jié)果顯示，在結(jié)溫為室溫時(shí)，在芯片功耗密度為 200 w/cm以下的條件下，mosfet可以2獲得更大的電流密度，而在更高的功耗密度條件下，igbt可以獲得更大的電流密度。在結(jié)溫為 127 c時(shí)，

29、igbt在功耗密度為 50 w/cm 以上的條件下就能夠?qū)ū?mosfet更2高的電流密度。同一年，該團(tuán)隊(duì)還報(bào)道了阻斷電壓達(dá)到12 kv的 p溝道碳化硅 igbt，導(dǎo)通比電阻降到了 14mcm，體現(xiàn)了明顯的電導(dǎo)調(diào)制能力。22012年 ，cree公司 sei-hyung ryu等人制成 6.7mm 6.7mm，有源區(qū)面積為 0.16cm2的 4hsic p-igbt，正向擊穿電壓15kv，在室溫柵壓一 20v條件下，比導(dǎo)通電阻為24m cm。2014年 ，tadayoshi deguchi等人制成了擊穿電壓為 13kv，當(dāng)測(cè)試溫度為 523k2時(shí)，柵壓一 20v時(shí)微分比導(dǎo)通電阻為 33 m c

30、m 的平面柵 pigbt。2碳化硅 igbt器件的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用范圍為 10kv以上的高壓領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域中，碳化硅mosfet器件會(huì)面臨通態(tài)電阻過(guò)高的問(wèn)題，但是在 10kv以下的應(yīng)用中，碳化硅 igbt 相對(duì)于碳化硅 mosfet 的優(yōu)勢(shì)并不十分明顯。在15kv以上的應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅igbt綜合了功耗低和開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)，相對(duì)于碳化硅的 mosfet以及硅基的 igbt、晶閘管等器件具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別適用于高壓電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。新型高溫高壓碳化硅 igbt器件將對(duì)大功率應(yīng)用，特別是電力系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生重大的影響?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，高壓碳化硅 igbt器件將和 pin二極管器件一起，成為下一代智能電

31、網(wǎng)技術(shù)中電力電子技術(shù)最核心的器件。6. sic功率雙極器件用碳化硅可以制造阻斷電壓很高的雙極器件，譬如高壓 pin二極管和晶閘管等。隨著碳化硅器件研發(fā)熱潮的掀起，也引起了一些研究者對(duì)開(kāi)發(fā)碳化硅 btj的興趣，sic bjt畢竟不像 sic mosfet那樣會(huì)遇到氧化層品質(zhì)嚴(yán)重影響器件特性的問(wèn)題，開(kāi)發(fā) sic bjt的主要問(wèn)題是提高電流增益。而碳化硅晶閘管在兼顧開(kāi)關(guān)頻率、功率處置能力和高溫特性方面最能發(fā)揮碳化硅的材料特長(zhǎng)，與碳化硅功率 mosfet相比，對(duì) 3000v以上的阻斷電壓，其通態(tài)電流密度可以高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而特別適合于交流開(kāi)關(guān)方面的應(yīng)用。對(duì)于直流開(kāi)關(guān)方面的應(yīng)用，則是碳化硅 gto(門

32、極可關(guān)斷晶閘管)之所長(zhǎng)。碳化硅門級(jí)換晶閘管（sic gt）的研發(fā)也受到關(guān)注。2006年有研究報(bào)道了面積為 8mm*8mm的 sic gt芯片，導(dǎo)通峰值電流高達(dá) 200a。2010年報(bào)道了單芯片脈沖電流達(dá) 2000a的 sic gt 器件。文案大全 實(shí)用文檔脈沖電流 2000a 的 sic gt 器件7. sic 功率模塊碳化硅功率模塊是全球電力電子器件大型企業(yè)目前重點(diǎn)的發(fā)展方向。碳化硅功率模塊已經(jīng)在一些高端領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了初步應(yīng)用，包括高功率密度電能轉(zhuǎn)換、高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)等等，并具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。在碳化硅功率模塊領(lǐng)域，首先開(kāi)始研發(fā)的是基于碳化硅功率二極管和硅基 igbt 的混合功率模塊。第

33、一個(gè)實(shí)現(xiàn)商用的采用碳化硅二極管和硅基 igbt 的高功率模塊是 infineon 公司的 prime pack 產(chǎn)品。隨著碳化硅器件的進(jìn)步，全碳化硅功率模塊不斷被研發(fā)出來(lái)。美國(guó) cree 公司報(bào)道了阻斷電壓 10kv，電流20a 的碳化硅 mosfet 芯片，并可以通過(guò)并聯(lián)模塊得到 100a 的電流傳輸能力。2009 年美國(guó) cree 公司與 powerex 公司開(kāi)發(fā)出了雙開(kāi)關(guān) 1200v、100a 的碳化硅功率模塊，該模塊由耐高壓和大電流的碳化硅的 mosfet 器件和碳化硅肖特基二極管組成。2011 年，美國(guó)u.s. army research laboratory研發(fā)了用 20 個(gè) 80

34、a 的 sic mosfet 以及 20 個(gè) 50a sic肖特基二極管制作了一個(gè) 1200v/800a 的雙向功率模塊。該模塊用作全橋逆變并與 si 器件比較實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明功率損耗至少降低 40%，在同樣輸出電流等級(jí)情況下 sic 的模塊可以工作在 si 模塊的 4 倍頻狀態(tài)。該模塊預(yù)計(jì)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。2012 年，日本富士電機(jī)公司研發(fā)基于 sic mosfet 的 1200v/100a 的碳化硅功率模塊。該模塊采用新型無(wú)焊線設(shè)計(jì)、氮化硅陶瓷作襯底制作，可以在 200c 高溫工作作，并且類似倒裝芯片的壓接式設(shè)計(jì)使得該模塊與起傳統(tǒng)的鋁線鍵合模塊相比具有內(nèi)電感低的特點(diǎn)，同時(shí)損耗更低，與傳統(tǒng)同功

35、率 igbt 模塊相比具有更緊湊的結(jié)構(gòu)，大小約為原先的 1/2。2012 年日本羅姆公司開(kāi)始推出全碳化硅功率模塊，2013 年，美國(guó)的 cree 公司和日本的三菱公司也推出了 1200v/100a 的全碳化硅模塊。這些全碳化硅功率模塊組合了碳化硅 mosfet 器件和肖特基二極管，利用高速開(kāi)關(guān)及低損耗的特性，可替換原來(lái)額定電流為200400a 的硅基 igbt 模塊。因器件散熱性提高，使得裝置的體積縮小了一半，并且發(fā)熱量小，可縮小冷卻裝置，實(shí)現(xiàn)裝置的小型化，同時(shí)可以將電力轉(zhuǎn)換時(shí)的損耗削減85%以上，大幅削文案大全 實(shí)用文檔減工業(yè)設(shè)備的電力損耗。全碳化硅 mosfet（或 jfet）模塊的優(yōu)良特

36、性使它具備在 10kv以下的應(yīng)用中取代硅基 igbt的巨大潛力，取代的速度和范圍將取決于碳化硅材料和器件技術(shù)的成熟速度和成本下降的速度。8. 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀由于受限于 sic單晶材料和外延設(shè)備，國(guó)內(nèi)在 sic功率器件方面的實(shí)驗(yàn)研究起步較晚，但我國(guó)一直在跟蹤國(guó)外sic寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展。在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)和高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)的支持下，先后啟動(dòng)了“寬禁帶半導(dǎo)體 xxx基礎(chǔ)研究”、“sic 高頻高溫功率器件”和“sic 單晶襯底制備”項(xiàng)目的研究。形成了集 sic晶體生長(zhǎng)(中電 46所、山東大學(xué)和中科院物理所等)、sic器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(電子科技大學(xué)和西安電子科技大學(xué)等

37、)、sic器件制造(中電 13所、55所和西安電子科技大學(xué)等)為一體的產(chǎn)學(xué)研齊全的 sic器件研發(fā)隊(duì)伍。2014年，中國(guó)的泰科天潤(rùn)半導(dǎo)體科技(北京)有限公司(簡(jiǎn)稱“泰科天潤(rùn)”)打破了國(guó)外 sic 肖特基二極管的商業(yè)壟斷，其 600v10a、1 200v20a 等產(chǎn)品的成品率達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。2014年，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所(簡(jiǎn)稱“中電五十五所”)sicjbs二極管的擊穿電壓為 10kv。西安電子科技大學(xué)于 2014年首次使 1.5kv sic pin二極管的正向?qū)娏鬟_(dá)到 30a。國(guó)內(nèi)對(duì) sic功率 mosfet的研究起步較晚。2012年西安電子科技大學(xué)研制出850v sicu

38、mosfet 器件；2014-2015 年年初，中電五十五所、西安電子科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所分別研制出了 1200v sic vdmosfet器件，最大電流 10a。對(duì)于 sic bjt 雙極型晶體管，國(guó)內(nèi)的研究主要集中在模型及新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 2012年，西安電子科技大學(xué)首次成功實(shí)現(xiàn)了 4h-sic功率 bjt樣品，器件的電流增益為 20。2015年 9月，泰科天潤(rùn)發(fā)布了其 1200v/10a sic bjt研究成果，電流增益為 85.8，所組成的功率模塊容量為 53.03kw。對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，2013 年，南京電子器件研究所陳剛等人利用自主生長(zhǎng)的sic外延材料，研制出 l70

39、0v常開(kāi)型和常關(guān)型 sic jfet器件，正向電流達(dá) 3.5a。2014年浙江大學(xué)盛況小組報(bào)道了 3500vl5a常關(guān)型 sic jfet。9. sic電力電子器件面對(duì)的挑戰(zhàn)9.1 芯片制造成本過(guò)高從商業(yè)化角度看，sic功率器件在電力電子器件市場(chǎng)很大，但 sic能否成功打入電文案大全 實(shí)用文檔力領(lǐng)域市場(chǎng)，最終還是取決于它的性價(jià)比。目前雖已實(shí)現(xiàn)了 6 英寸 4h-sic 襯底制備，但 cree 公司從 2 英寸(1997 年)擴(kuò)大到商業(yè)化 6 英寸(2010 年)零微管 4h-sic 襯底花費(fèi)了 13 年時(shí)間。同時(shí)，sic 功率器件工藝費(fèi)用也很高，設(shè)備及技術(shù)掌握在國(guó)外少數(shù)幾家公司。較高的價(jià)格導(dǎo)致

40、其通常應(yīng)用在高溫，輻照等 si 器件不能應(yīng)用的領(lǐng)域。較小的市場(chǎng)維持高的成本限制了 sic 功率器件的發(fā)展。目前，同一規(guī)格 sic 功率器件的價(jià)格是 si 器件的 5-6 倍，當(dāng)這一數(shù)值降到 2-3 倍時(shí)，sic 功率器件將會(huì)大范圍應(yīng)用于電動(dòng)汽車、機(jī)車、動(dòng)車變流器中，推動(dòng)牽引系統(tǒng)快速發(fā)展。9.2 材料缺陷多，單個(gè)芯片電流小雖然目前 sic 器件的研究已經(jīng)取得了非常矚目的成果，但其性能離 sic 材料本身的極限還有較大距離。近幾年，利用物理氣相傳輸法(pvt)生長(zhǎng)的 sic 晶體和化學(xué)氣相沉積法(cvd)生長(zhǎng)的 sic 薄膜取得了驚人的進(jìn)步。采用緩沖層、臺(tái)階控制外延及位置競(jìng)爭(zhēng)等技術(shù)制備的 sic 薄膜晶體質(zhì)量有了很大的提高，并實(shí)現(xiàn)了可控?fù)诫s。但晶體中仍含有大量的微管、位錯(cuò)和層錯(cuò)等缺陷，這些