作者簡介：柏松，中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所、寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究員，研究方向?yàn)閷捊麕О雽?dǎo)體電力電子器件。
碳化硅電力電子器件已經(jīng)成為國內(nèi)外研究和產(chǎn)業(yè)化熱點(diǎn)，在一些應(yīng)用領(lǐng)域正在逐步取代硅基電力電子器件。
本文概述了碳化硅材料和器件的特性，綜述了國際上碳化硅電力電子器件技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，展示了寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在該領(lǐng)域取得的最新技術(shù)進(jìn)展。
碳化硅（SiC）作為繼硅和砷化鎵之后發(fā)展起來的寬禁帶半導(dǎo)體的重要代表，正在成為制作高性能電力電子器件的理想半導(dǎo)體材料，已經(jīng)顯現(xiàn)出由其材料特性預(yù)測(cè)的性能優(yōu)勢(shì)，部分SiC器件成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，在一些重要的能源領(lǐng)域開始逐步取代硅基電力電子器件。
SiC電力電子器件優(yōu)勢(shì)
更高電壓、更高效率、更高功率密度代表了電力電子器件技術(shù)的發(fā)展主題。
在2020年之前的50年中，硅基電力電子器件技術(shù)日益成熟，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷壯大，在能源領(lǐng)域發(fā)揮了不可或缺的作用。
然而受材料特性所限，硅基電力電子器件性能正在接近其理論極限，難以繼續(xù)支撐技術(shù)和產(chǎn)業(yè)快速前進(jìn)的要求。
進(jìn)入21世紀(jì)后，尤其是在2010-2020年，諸多新興的半導(dǎo)體材料成為工業(yè)界的熱點(diǎn)，憑借優(yōu)越的材料特性為電力電子器件技術(shù)帶來了新的發(fā)展動(dòng)力。
下表列出了硅和各類新興半導(dǎo)體材料的特性，其中4H-SiC和氮化鎵（GaN）屬于寬禁帶半導(dǎo)體，而氧化鎵和金剛石為超寬禁帶半導(dǎo)體。
決定電力電子器件特性的主要材料參數(shù)包括禁帶寬度、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、電子飽和漂移速度等。
4H-SiC、GaN、氧化鎵以及金剛石的材料特性與硅相比優(yōu)勢(shì)非常顯著，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界越來越受重視，其中以SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體的技術(shù)成熟度較高，在一些應(yīng)用領(lǐng)域開始逐步取代硅基電力電子器件。
4H-SiC的禁帶寬度幾乎為硅的3倍，其本征載流子濃度遠(yuǎn)低于硅，熱導(dǎo)率也達(dá)到硅的3倍，因而更加適合高溫、高電壓工作。
10倍的擊穿電場(chǎng)使SiC更適合制作高壓器件，能夠突破硅器件擊穿電壓的極限，達(dá)到10 kV甚至20 kV以上。
高擊穿電場(chǎng)使器件具有厚度更薄、摻雜濃度更高的漂移層，能夠?qū)崿F(xiàn)更低的比導(dǎo)通電阻和更高的導(dǎo)通電流密度。
作為單極型器件的SiC金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），其比導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)低于同電壓等級(jí)硅MOSFET，最高擊穿電壓可超越硅絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），同時(shí)具有低導(dǎo)通損耗和低開關(guān)損耗，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率和更高的功率密度。
國際進(jìn)展
在眾多SiC電力電子器件中，SiC肖特基二極管是商業(yè)化程度最高的，通常采用結(jié)勢(shì)壘肖特基（JBS）或者并和PIN肖特基（MPS）結(jié)構(gòu)，具有反向漏電低、抗電流過沖能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。
SiC肖特基二極管在600~3300 V電壓范圍內(nèi)具備優(yōu)越的性能和可靠性，已形成成熟的產(chǎn)品技術(shù)，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、光伏發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域。
英飛凌公司發(fā)布的第六代SiC MPS二極管采用薄片、低勢(shì)壘等先進(jìn)技術(shù)，降低導(dǎo)通電壓，提高導(dǎo)通電流密度，進(jìn)一步提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。
在更高電壓的應(yīng)用方面，SiC肖特基二極管也頗具吸引力，15 kV SiC肖特基二極管已研制成功，但其在高溫、高阻斷條件下的可靠性有待驗(yàn)證。
SiC MOSFET 是最為成熟、應(yīng)用最廣的SiC功率開關(guān)器件，具有高開關(guān)速度、低損耗和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是替代硅IGBT的最佳選擇。
SiC材料可以通過熱氧化工藝在表面生長氧化層，因此SiC MOSFET可基本沿用硅基功率MOSFET的制備工藝。
然而由于SiC/SiO2界面處存在大量的陷阱電荷和界面電荷，使得SiC MOSFET的溝道遷移率較低，進(jìn)而使器件的導(dǎo)通電阻增加。
同時(shí)，SiC的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度更高且介電常數(shù)是SiO2的2.5倍，容易出現(xiàn)由于SiO2內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度過高而引發(fā)器件失效等可靠性問題。
因此，必須優(yōu)化設(shè)計(jì)SiC MOSFET的元胞結(jié)構(gòu)和終端結(jié)構(gòu)，同時(shí)深入研究柵氧介質(zhì)的形成工藝。
SiC功率MOSFET通常采用平面結(jié)構(gòu)或者溝槽結(jié)構(gòu)，在650~3300 V電壓范圍內(nèi)已形成成熟的產(chǎn)品技術(shù)。
SiC功率MOSFET器件結(jié)構(gòu)
SiC MOSFET溝道遷移率低的問題仍然比較突出，對(duì)于中低壓器件（650~1700 V）溝道電阻占總導(dǎo)通電阻的比例較高。
羅姆半導(dǎo)體集團(tuán)和英飛凌科技公司采用溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET，沒有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）區(qū)，具有更高的溝道密度，同時(shí)溝道所在SiC晶面具有較高的溝道遷移率，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更低的比導(dǎo)通電阻。
而Cree和意法半導(dǎo)體兩家公司采用平面結(jié)構(gòu)SiC MOSFET，通過優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了性能和可靠性俱佳的產(chǎn)品技術(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用。
Cree發(fā)布的第三代平面結(jié)構(gòu)SiC MOSFET，1200 V產(chǎn)品的比導(dǎo)通電阻僅為2.7 mΩ⋅cm2，在高壓領(lǐng)域也顯示出優(yōu)越的性能，10和15 kV器件的比導(dǎo)通電阻分別為123和208 mΩ⋅cm2，基本達(dá)到了單極型SiC器件的理論極限。
Cree公司SiC MOSFET研制結(jié)果
SiC功率MOSFET作為單極型器件，導(dǎo)通狀態(tài)下通過多數(shù)載流子導(dǎo)電，當(dāng)擊穿電壓達(dá)到10 kV甚至更高時(shí)，高導(dǎo)通電阻成為限制其應(yīng)用的重要問題。
SiC IGBT是一種雙極型器件，器件的背面多了一個(gè)pn結(jié)，當(dāng)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，背面的pn結(jié)會(huì)將少子注入到漂移層，產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻，更加適合智能電網(wǎng)等設(shè)施的高壓大功率應(yīng)用。
由于SiC的電子遷移率比空穴遷移率高1個(gè)量級(jí)，n溝道SiC IGBT（N-IGBT）比p溝道SiC IGBT（P-IGBT）具有更優(yōu)越的導(dǎo)通和開關(guān)特性。
Cree公司和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所等報(bào)道了12~27 kV 高壓SiC N-IGBT 的研制結(jié)果，15 kV SiC N-IGBT 的微分比導(dǎo)通電阻僅為14 mΩ⋅cm2，而27 kV SiC N-IGBT 也只有123 mΩ⋅cm2，充分顯示出高壓大功率的性能優(yōu)勢(shì)。
高壓SiC N-IGBT 研制結(jié)果
SiC N-IGBT需要p型SiC襯底，其質(zhì)量和性能均有待提升，另外SiC的載流子壽命比較低，限制了SiC IGBT性能的進(jìn)一步提升。
SiC電力電子器件最新研制進(jìn)展
依托中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所建立的寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，致力于以SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件技術(shù)研究和開發(fā)，建立了600~3300 V SiCMPS 二極管和1200~1700 V SiC MOSFET 產(chǎn)品技術(shù)，在新能源汽車、光伏發(fā)電等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。
為進(jìn)一步發(fā)揮SiC電力電子器件高電壓、大功率、高效率、高功率密度等優(yōu)勢(shì)，本實(shí)驗(yàn)室面向國際科技前沿開展SiC MOSFET、SiC IGBT等器件技術(shù)的開發(fā)工作。
01 1200VSiC MOSFET
SiC功率MOSFET器采用了平面型結(jié)構(gòu)。
研制的第一代1200 V/80 mΩ SiC MOSFET 器件，芯片的有源區(qū)面積為8.5 mm2，比導(dǎo)通電阻6.8 mΩ⋅cm2。按照工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)完成了器件的可靠性考核。
閾值電壓和體二極管的穩(wěn)定性是SiC MOSFET器件可靠性的兩項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。
在環(huán)境溫度150℃、柵極偏置電壓+20 V和-10 V的應(yīng)力條件下，經(jīng)過1000 h的考核，SiC MOSFET器件的閾值電壓漂移率均小于0.3 V。
SiC MOSFET器件的體二極管也經(jīng)受了在環(huán)境溫度150℃、1000 h的穩(wěn)態(tài)工作壽命考核，顯示出良好的穩(wěn)定性。
為進(jìn)一步提升SiC MOSFET器件的導(dǎo)通電流密度，降低柵電容，對(duì)SiC MOSFET 器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝展開了改進(jìn)研究。
尤其是針對(duì)SiC MOSFET溝道導(dǎo)通電阻大的問題，開發(fā)了柵氧前氮注入與柵氧后氮化退火相結(jié)合的工藝，實(shí)現(xiàn)了溝道遷移率的明顯提升。
結(jié)合SiC MOSFET單胞結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及JFET區(qū)選擇摻雜技術(shù)，研制出新一代1200 V/80 mΩ SiC MOSFET器件，芯片有源區(qū)面積縮小到6 mm2，比導(dǎo)通電阻降低至4.8 mΩ?cm2，擊穿電壓為1500 V。
1200 V/80 mΩ SiC MOSFET導(dǎo)通和阻斷測(cè)試曲線
該產(chǎn)品的可靠性和可生產(chǎn)性通過驗(yàn)證后，性價(jià)比將得到顯著提升。
02 6.5~15 kV SiC MOSFET
采用平面型MOS結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了高壓SiC MOSFET器件技術(shù)的開發(fā)。
在3.3 kV以上的高壓領(lǐng)域，SiC MOSFET的溝道電阻在器件總電阻中的比例顯著降低，而外延漂移層電阻成為最主要的組成部分，在做好器件耐高壓設(shè)計(jì)之外，漂移區(qū)外延摻雜濃度和厚度的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。
SiC器件擊穿電壓與外延層厚度以及濃度之間的關(guān)系
研制的6.5 kV/150 mΩ SiC MOSFET擊穿電壓達(dá)7.8 kV，在阻斷電壓為6.5 kV時(shí)漏電流小于2 μA，有源區(qū)面積35.6 mm2，比導(dǎo)通電阻53 mΩ?cm2。
將6.5 kV SiC MOSFET與6.5 kV硅IGBT的開關(guān)損耗進(jìn)行了對(duì)比，SiC MOSFET器件的總開關(guān)損耗僅為傳統(tǒng)Si-IGBT模塊的1/15，因此更加適合高開關(guān)頻率應(yīng)用。
開展了10和15 kV SiC MOSFET器件的設(shè)計(jì)和制備。當(dāng)柵極電壓VGS為20 V、漏源極電壓VDS為5.0 V時(shí)，研制的10 kV/480 mΩ SiC MOSFET器件的導(dǎo)通電流為10.4 A，比導(dǎo)通電阻為144 mΩ?cm2。
研制的15 kV/680 mΩ SiC MOSFET采用了摻雜濃度6×1014 cm-3、厚度150 μm的SiC外延漂移層，芯片尺寸為9.2 mm×9.2 mm，有源區(qū)面積30.1 mm2，采用了總寬度為1.5 mm的場(chǎng)限環(huán)終端。
室溫下15 kV SiC MOSFET的導(dǎo)通和阻斷性能測(cè)試結(jié)果顯示，器件的擊穿電壓達(dá)15.5 kV，漏源極電壓VDS為6.5 V 時(shí)導(dǎo)通電流達(dá)9.6 A，對(duì)應(yīng)的比導(dǎo)通電阻為204 mΩ?cm2，為目前報(bào)道的最高水平。
15 kV SiC MOSFET 導(dǎo)通和阻斷測(cè)試曲線
03 20 kV SiC IGBT
高壓SiC N-IGBT在n型SiC襯底上依次外延生長了20 μm厚的p+少子注入層，3 μm厚n型緩沖層以及180 μm厚摻雜濃度為2×1014 cm-3的n型漂移層。
器件的單胞長度為14 μm，MOS溝道長度1.0 μm，采用了總寬度為1.5 mm的場(chǎng)限環(huán)終端，芯片尺寸為9.2 mm×9.2 mm，有源區(qū)面積30.1 mm2。
SiC N-IGBT器件結(jié)構(gòu)示意
SiC N-IGBT的正面工藝與SiC MOSFET基本相同，采用了1350℃氧化工藝以提升載流子壽命。
在正面工藝完成后通過研磨去除n型SiC襯底，采用激光退火工藝在背面p+注入層表面形成良好的p型歐姆接觸。
室溫下20 kV SiC N-IGBT導(dǎo)通和阻斷測(cè)試曲線，其中阻斷特性是將器件浸入在絕緣液體中測(cè)試獲得
當(dāng)VGE=0 V、VCE=20 kV時(shí)，器件的漏電流為40 μA。當(dāng)VGE=20 V，VCE=6.5 V 時(shí)，SiC IGBT 的集電極電流達(dá)20 A，微分比導(dǎo)通電阻為36 mΩ?cm2，顯示出SiC IGBT作為雙極型器件在高阻斷電壓、高導(dǎo)通電流密度等方面的突出優(yōu)勢(shì)。
結(jié)論
SiC電力電子器件已經(jīng)成為國內(nèi)外研究和產(chǎn)業(yè)化熱點(diǎn)。
國內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)正在通過技術(shù)攻關(guān)追趕國際上突飛猛進(jìn)的發(fā)展步伐，建立了中低壓SiC肖特基二極管和SiC MOSFET產(chǎn)品技術(shù)，推進(jìn)產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心電源、光伏發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域的批量應(yīng)用，面向國際科技前沿開展高壓和超高壓SiC MOSFET、SiCIGBT等器件技術(shù)的開發(fā)并取得重要成果，縮小了與國際先進(jìn)水平之間的差距。
“新基建”為寬禁帶半導(dǎo)體器件帶來新的發(fā)展機(jī)遇，我們應(yīng)抓住機(jī)遇，加快提升以SiC為代表的新一代電力電子器件的技術(shù)水平，努力實(shí)現(xiàn)從跟跑到并跑再到領(lǐng)跑。
論文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2021年第14期，歡迎訂閱查看。
