SiC功率器件的新發(fā)展和挑戰(zhàn)！

碳化硅（SiC）被認(rèn)為是未來功率器件的革命性半導(dǎo)體材料;許多SiC功率器件已成為卓越的替代電源開關(guān)技術(shù)，特別是在高溫或高電場的惡劣環(huán)境中。本章將討論SiC功率器件面臨的挑戰(zhàn)和最新發(fā)展。第一部分重點(diǎn)介紹碳化硅功率二極管，包括碳化硅肖特基勢壘二極管（SBD）、碳化硅PiN二極管（PiN），碳化硅結(jié)/肖特基二極管（JBS），然后介紹碳化硅聚碳場效應(yīng)管、DMOSFET和幾種MESFET，第三部分是關(guān)于碳化硅雙極器件，如BJT和IGBT。最后，討論了SiC功率器件開發(fā)過程中的挑戰(zhàn)，特別是其材料生長和封裝。

第一代和第二代半導(dǎo)體材料分別以硅（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表。寬帶隙材料，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），被稱為第三代半導(dǎo)體材料。SiC是1824年由Berzelius在鉆石合成實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。SiC的首次用途是作為磨料。其次是電子應(yīng)用程序。在20世紀(jì)初，SiC被用作第一批無線電中的探測器，然后自1907年以來變得流行，當(dāng)時(shí)Henry Joseph Round通過向SiC晶體施加電壓并觀察陰極的黃色，綠色和橙色發(fā)射來生產(chǎn)第一個(gè)LED。這引起了電子研究人員的極大關(guān)注，大約半個(gè)世紀(jì)前，SiC在半導(dǎo)體行業(yè)的潛力得到了認(rèn)可。與使用最廣泛的半導(dǎo)體材料Si相比，SiC具有許多顯著的電子特性，包括寬帶隙，大臨界電場，高導(dǎo)熱性，高電子飽和速度，化學(xué)惰性和輻射硬度[1-3].這些優(yōu)異的性能使SiC非常適合高電壓、高功率和高溫應(yīng)用。

SiC功率器件在1970年代開始開發(fā)。在眾多研究人員的努力下，1980年代其晶體質(zhì)量和制造技術(shù)有了很大的提高，隨后開發(fā)了各種SiC器件，其性能迅速提高。

目前，SiC功率器件的初級理論階段已經(jīng)完成。商業(yè)可用性階段正在迅速發(fā)展;單晶襯底和器件制造工藝等工藝技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。自2001年起，英飛凌公司開始供應(yīng)碳化硅肖特基二極管。現(xiàn)在碳化硅二極管、MOSFET、JFT、BJT等碳化硅三端器件已經(jīng)面世，CREE、東芝、意法半導(dǎo)體等公司都有供貨SiC功率器件的能力。

然而，開發(fā)基于SiC的器件的主要障礙是SiC材料的質(zhì)量和成本與Si基器件相比。隨著近年來SiC外延材料工藝的進(jìn)展，獲得高質(zhì)量的4H-SiC襯底和外延層是可行的，從而為SiC功率器件實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的功率性能。例如，100 mm 4H-SiC基板和外延層可用于制造功率器件。由于越來越多的研究人員和公司開始關(guān)注SiC材料，成本即將大幅下降，預(yù)計(jì)在不久的將來可以承受成本;反過來，這將促進(jìn)SiC功率器件的發(fā)展。

碳化硅（SiC）被認(rèn)為是未來功率器件的革命性半導(dǎo)體材料;許多SiC功率器件已成為卓越的替代電源開關(guān)技術(shù)，特別是在高溫或高電場的惡劣環(huán)境中。本章將討論SiC功率器件面臨的挑戰(zhàn)和最新發(fā)展。第一部分重點(diǎn)介紹碳化硅功率二極管，包括碳化硅肖特基勢壘二極管（SBD）、碳化硅PiN二極管（PiN），碳化硅結(jié)/肖特基二極管（JBS），然后介紹碳化硅聚碳場效應(yīng)管、DMOSFET和幾種MESFET，第三部分是關(guān)于碳化硅雙極器件，如BJT和IGBT。最后，討論了SiC功率器件開發(fā)過程中的挑戰(zhàn)，特別是其材料生長和封裝。

碳化硅功率器件二極管場效應(yīng)管場效應(yīng)管

第一代和第二代半導(dǎo)體材料分別以硅（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表。寬帶隙材料，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），被稱為第三代半導(dǎo)體材料。SiC是1824年由Berzelius在鉆石合成實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。SiC的首次用途是作為磨料。其次是電子應(yīng)用程序。在20世紀(jì)初，SiC被用作第一批無線電中的探測器，然后自1907年以來變得流行，當(dāng)時(shí)Henry Joseph Round通過向SiC晶體施加電壓并觀察陰極的黃色，綠色和橙色發(fā)射來生產(chǎn)第一個(gè)LED。這引起了電子研究人員的極大關(guān)注，大約半個(gè)世紀(jì)前，SiC在半導(dǎo)體行業(yè)的潛力得到了認(rèn)可。與使用最廣泛的半導(dǎo)體材料Si相比，SiC具有許多顯著的電子特性，包括寬帶隙，大臨界電場，高導(dǎo)熱性，高電子飽和速度，化學(xué)惰性和輻射硬度[1-3].這些優(yōu)異的性能使SiC非常適合高電壓、高功率和高溫應(yīng)用。

SiC功率器件在1970年代開始開發(fā)。在眾多研究人員的努力下，1980年代其晶體質(zhì)量和制造技術(shù)有了很大的提高，隨后開發(fā)了各種SiC器件，其性能迅速提高。

目前，SiC功率器件的初級理論階段已經(jīng)完成。商業(yè)可用性階段正在迅速發(fā)展;單晶襯底和器件制造工藝等工藝技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。自2001年起，英飛凌公司開始供應(yīng)碳化硅肖特基二極管。現(xiàn)在碳化硅二極管、MOSFET、JFT、BJT等碳化硅三端器件已經(jīng)面世，CREE、東芝、意法半導(dǎo)體等公司都有供貨SiC功率器件的能力。

然而，開發(fā)基于SiC的器件的主要障礙是SiC材料的質(zhì)量和成本與Si基器件相比。隨著近年來SiC外延材料工藝的進(jìn)展，獲得高質(zhì)量的4H-SiC襯底和外延層是可行的，從而為SiC功率器件實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的功率性能。例如，100 mm 4H-SiC基板和外延層可用于制造功率器件。由于越來越多的研究人員和公司開始關(guān)注SiC材料，成本即將大幅下降，預(yù)計(jì)在不久的將來可以承受成本;反過來，這將促進(jìn)SiC功率器件的發(fā)展。

碳化硅二極管

功率二極管是現(xiàn)代電源應(yīng)用中的關(guān)鍵元件。經(jīng)典的整流功能因?qū)﹂_啟和關(guān)閉速度的高要求而升級。為了制造SiC功率器件，歐姆觸點(diǎn)在半導(dǎo)體和外部電路之間的信號傳輸中起著非常重要的作用。在過去的幾十年中，在結(jié)構(gòu)表征和電氣性能方面，已經(jīng)研究了大量的歐姆觸點(diǎn)材料。對于n型SiC材料上的歐姆觸點(diǎn)，最有希望的金屬是鎳（Ni）。已經(jīng)證明，在900-1000oC范圍內(nèi)退火的Ni薄膜可以在n型SiC上形成良好的歐姆接觸，特定接觸電阻為1×10-6Ω?厘米2[4].對于p型材料，由于肖特基勢壘較高，歐姆接觸形成甚至比n型材料更困難。許多研究都集中在鋁/鈦（Al/Ti）觸點(diǎn)上，其特定的接觸電阻約為10-5Ω?厘米2[5].

肖特基勢壘二極管（SBD）

作為單極性器件，SBD的反向恢復(fù)電流為零。圖1顯示了碳化硅SBD的一般結(jié)構(gòu);它由金屬和半導(dǎo)體塊區(qū)域之間的電非線性接觸形成。由SiC制造的SBD為電源電路設(shè)計(jì)提供了新的學(xué)位，自2001年以來已上市。SiC SBD最顯著的優(yōu)勢是阻斷電壓和傳導(dǎo)電流額定值的持續(xù)增加，從最初的300 V、10 A和600 V、6 A[6]到電流600 V，20 A[7].此外，預(yù)計(jì)SBD可以施加高達(dá)2，000 V的阻斷電壓（因?yàn)楹喜⒔鉀Q方案也高達(dá)3 kV）[8].首次報(bào)道了采用場板端子技術(shù)的4H-SiC，擊穿電壓為1，750 V[9].甚至可以預(yù)見，這種類型的二極管可能會(huì)取代中等功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中的Si雙極二極管。由于SBD中沒有反向恢復(fù)電荷，因此它具有極快的導(dǎo)通性能，非常適合高速開關(guān)應(yīng)用，并大幅降低典型電路的動(dòng)態(tài)損耗。與硅和砷化鎵二極管相比，SiC的高導(dǎo)熱性也是SiC SBD的一大優(yōu)勢，因?yàn)樗试SSBD在更小尺寸的冷卻系統(tǒng)中以更高的電流密度額定值運(yùn)行。然而，由于其較低的內(nèi)置電位屏障，其反向漏電流很大，尤其是在高溫下。

碳化硅MESFET

對于SiC功率金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET），擊穿電壓是允許功率器件實(shí)現(xiàn)特定功率密度和功率轉(zhuǎn)換的一個(gè)非常重要的參數(shù)。圖6是傳統(tǒng)碳化硅MESFET的示意圖。先前的研究提出了許多改善擊穿電壓的技術(shù)[22,23].為了優(yōu)化表面電場并改善擊穿電壓，提出了新技術(shù)，其中包括REBULF（減少體積場）[24]和完整的3D縮小面場（RESURF）[25].高擊穿是用REBULF技術(shù)在超薄外延層上獲得的?？梢源_保這些新技術(shù)可以直接移植到SiC功率MESFET上。因此，設(shè)計(jì)了幾種新的SiC功率MESFET，以優(yōu)化擊穿電壓、特定導(dǎo)通電阻、頻率和跨導(dǎo)的特性。

SiC功率器件的封裝也是一個(gè)緊迫的問題。一旦克服了材料和工藝挑戰(zhàn)，SiC器件的封裝可靠性將是影響電路性能的關(guān)鍵因素。當(dāng)設(shè)備在高溫（≥200°C）下工作或冷卻液溫度要求工作溫度高于當(dāng)今的~150°C極限時(shí)，封裝可靠性也很重要。例如，使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、石油和天然氣鉆井和開采、航空電子電源、空間電源和軍事應(yīng)用。提高功率處理能力以減少昂貴的芯片面積和冷卻成本非常重要。因此，需要用于高溫應(yīng)用的新型封裝材料。

由于通過非常快速的開關(guān)可以大大降低開關(guān)能量，并且在快速開關(guān)區(qū)域應(yīng)用SiC功率器件時(shí)，應(yīng)考慮器件和封裝之間的內(nèi)部電磁寄生效應(yīng)問題。先進(jìn)的電源模塊架構(gòu)非常重要。

在SiC功率器件的應(yīng)用過程中，人們應(yīng)該考慮高電場問題。由于器件內(nèi)部電場較高，鈍化層和芯片表面的場應(yīng)力非常高，以至于端子邊緣的芯片/凝膠界面的平均電場比SiC二極管高約3倍。在如此高的表面場強(qiáng)度下，任何顆?；蛞苿?dòng)離子形式的污染都可能導(dǎo)致可能的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)腐蝕過程;鈍化層中的任何材料缺陷和封裝的任何分層/附著力不足都可能變得非常關(guān)鍵。這使得先進(jìn)的絕緣技術(shù)變得非常重要。

由于沒有反向恢復(fù)電荷，SBD具有極快的導(dǎo)通性能，非常適合高速開關(guān)應(yīng)用，大大降低了典型電路的動(dòng)態(tài)損耗，同時(shí)最大限度地減少了冷卻系統(tǒng)的尺寸。SiC PiN二極管具有低柵極漏電流和高擊穿電壓的特點(diǎn)，因此可以在高電壓和低頻情況下用作開關(guān)。JBS具有與肖特基二極管相似的導(dǎo)通狀態(tài)和開關(guān)特性，以及類似于PiN二極管的阻塞特性。與JFET相比，MESFET具有卓越的RF性能，因?yàn)闁艠O電容更小，跨導(dǎo)更高。SiC BJT的開關(guān)損耗和導(dǎo)通狀態(tài)電壓遠(yuǎn)低于Si BJT。除非逆溝道層中的電子遷移率和柵極氧化層的可靠性被突破，否則SiC MOSFET將不會(huì)在商業(yè)上得到普及。

審核編輯：湯梓紅