碳化硅電子器件發(fā)展分析

1、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1. ISiC 單晶1.2 SiC 外延1.3 SiC器件工藝2. SiC二極管實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化3. SiC JFET器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展4. SiC MOSFET器件實(shí)用化取得突破5. SiC IGBT 器件6. SiC功率雙極器件7. SiC功率模塊8. 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀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)iWj9. 2材料缺陷多，單個(gè)芯片電流小10. 3器件圭寸裝材料與技術(shù)有待提高11. 小結(jié)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

2、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（M0SFE）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L ISiC單晶碳化硅早在1842年就被發(fā)現(xiàn)了，但直到19

3、55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

4、 業(yè)生產(chǎn)SiC單晶最常用的方法，它是把SiC粉料放在石墨片煙和多孔石墨管之間，在惰 性氣體（氨氣）環(huán)境溫度為2 500 C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，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S1C 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

5、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。止匕外，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（HTCVDo它是用氣態(tài)的高純碳源和硅源，在 2200 C左右合成碳化硅分子，然后在 籽晶上凝聚生長(zhǎng)，生長(zhǎng)

6、速率一般為0.5lmm/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，前者載后者同時(shí)流子濃度3.5 X 1013-8X 1015/cm3范圍，具有較高的電子遷移率;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

7、，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9=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)

8、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-S1C外延層中存在3C-S1C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)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

9、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

10、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、 美元，偏4°的比無(wú)偏角的貴約 目。因此，從以上分析并結(jié)合目 在世界各國(guó)科技人員的努力下, 偏角為4°襯底。微管密度等）的襯底片，偏8。的比偏4°的貴約1000 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) 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， 外延要回歸到小偏角斜切襯底方向上來(lái)?，F(xiàn)在Cree主推1. 3 SiC器

11、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Si02中一樣低，在適合于對(duì)碳化硅進(jìn)行有效雜質(zhì)擴(kuò)散的溫度下，S102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)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

12、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玫膒型注入雜質(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。

13、柵氧化物與碳化硅之間的界面缺陷對(duì)功率MOS勺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-S1C 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1400C高溫快速退火法，n型和P型4H-S1C的歐姆接觸都可以做到單位-5 2 面積接觸電阻低達(dá)l(P?cni量級(jí)的水平，所用的電極材料分別是Ni和

14、A1。不過(guò)這種 接觸在 400C C以上的熱穩(wěn)定性較差。對(duì)P型4H-S1C采用Al/Ni/W/Au復(fù)合電極可以 把熱穩(wěn)定性提 高到600c 100小時(shí)，不過(guò)其接觸比電阻高達(dá)l(T?cni。采用TaC和AlSi合金電極也可獲得 類似效果。6H-SiC比4H-S1C容易獲得低阻歐姆接觸，其接觸比 電阻可低達(dá)10-6 ?cn2。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600C退火，器件的反向特性

15、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) S1C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 , ?SBD)、PiN二極管 和結(jié)勢(shì) 壘控制 肖特 基二極 管(junction?barrier?Scho

16、ttky , ?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(merged?PiN?Schottky , ?MPS)。2001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

17、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600Vsi700V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

18、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MOSFE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Cree公司、Microsemi公司、Infin eon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

19、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。S1C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（lun）反 偏條件下淺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

20、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。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)展較快的碳化硅器件之一，并且率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。與 M0SFE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，

21、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?性的情況下形成的，因此常通型（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M0SFE來(lái)實(shí)現(xiàn)。級(jí)聯(lián)后的JFET器件

22、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，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 Power Electronics研制了使用SiC JFET制作的高溫

23、條件下SiC三相逆變器的研究，該模塊峰 值功率為50k （該模塊在中等負(fù)載等級(jí)下的效率為98. 5%10kH、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MOSFE 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

24、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M0SFE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。為了提高碳化硅M0SFE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

25、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 MOSFE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M0SFE1T前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M0SFE器件。美國(guó)已經(jīng)將碳化硅MOSFE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

26、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M0SFE和肖特基二極管，研發(fā)出一個(gè)達(dá)llkW逆變器，它比基于硅器件制造的逆變器，降低能源損耗達(dá)七成，輸出功率為10W/cm。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。

27、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L(zhǎng)2kV的品種為例，第2代芯片面積比第1代縮小了約40%o5. 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MOSFE器件相同，溝道缺陷導(dǎo)致的可靠性以及低電子遷移率 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I

28、GBT器件，比導(dǎo)通電阻達(dá)到 22mQX cm%有報(bào)道對(duì)15kV的NTGBT和MOSFET勺正向?qū)?能力做了一個(gè)比較，結(jié)果顯示， 在結(jié)溫為室溫時(shí)，在芯片功耗密度為200 W/cn2以下的條件下，MOSFE可以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1270c時(shí)，IGBT在功耗密度為50 W/cnn以上的條件下就能夠?qū)ū萂OSFE更高的電流密度。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 14mQX cm2,體現(xiàn)了明顯的電導(dǎo)調(diào) 制能力。2012年，Cree公司Sei-Hyung Ryu等人制成6. 7mm

29、 X 6. 7mm有源區(qū)面積為 20. 16cm的4H-SiC 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?X cm2o 2014年，Tadayoshi Deguchi等人制成了擊穿電壓為13kV,當(dāng)測(cè)試溫度為 523K時(shí)，柵壓一 20V時(shí)微分比導(dǎo)通電阻為33 m?X cim的平面柵P-IGBT。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 MOSFE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MOSFE 口的優(yōu)勢(shì)并不十分明顯。在15 kV以上的應(yīng)用領(lǐng)域，碳化 硅IGBT 綜

30、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MOSFE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)

31、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MOSFE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*8m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。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

32、。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MOSFE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

33、率模塊，該模塊由耐高壓和大電流的碳化硅的MOSFE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)80A 的SiC MOSFE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勺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

34、，可 以在200。C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)同功率IGBT模塊相比具有更緊湊的結(jié)構(gòu)，大小約為原先的1/2O 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MOSFE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)

35、的損耗削減 85%以上，大幅削減工業(yè)設(shè)備的 電力損耗。全碳化硅MOSFE （或JFET）模塊的優(yōu)良特性使它具備在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

36、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）、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600V/ 10A、1 200V/20A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” ）SiC JBS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)?/p>

37、流達(dá)到30Ao國(guó)內(nèi)對(duì)SiC功率MOSFE的研究起步較晚。2012年西安電子科技大學(xué)研制出850VSiC UMOSFET器件；20142015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 VDMOSFE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-S1C功率BJT樣品，器件的電流增益為20o 015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. 03kWo對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管

38、，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I700V常開(kāi)型和常關(guān)型SiC JFET器件，正向電流達(dá)3. 5A。 20 1 4年浙江大學(xué)盛況小組報(bào)道了 3500V / 15A常關(guān)型SiC JFETo9. SiC電力電子器件面對(duì)的挑戰(zhàn)10. 1芯片制造成本過(guò)高從商業(yè)化角度看，S1C功率器件在電力電子器件市場(chǎng)很大，但S1C能否成功打入電 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-S1C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

39、，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。11. 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，這些缺陷嚴(yán)重限制了Si