碳化硅MOSFET器件的特性?xún)?yōu)勢(shì)與發(fā)展瓶頸!

引言

碳化硅功率器件近年來(lái)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，受到大家的喜愛(ài)，不斷地推陳出新，大量的更高電壓等級(jí)、更大電流等級(jí)的產(chǎn)品相繼推出，市場(chǎng)反應(yīng)碳化硅元器件的效果非常好，但似乎對(duì)于碳化硅元器件的普及還有很長(zhǎng)的路要走。那為什么SiC器件這么受歡迎，但難以普及?本文簡(jiǎn)單概述一下碳化硅器件的特性?xún)?yōu)勢(shì)與發(fā)展瓶頸!

碳化硅mos對(duì)比硅mos的11大優(yōu)勢(shì)

1、SiC器件的結(jié)構(gòu)和特征

Si材料中，越是高耐壓器件其單位面積的導(dǎo)通電阻就越大(通常以耐壓值的大概2-2.5次方的比例增加)，因此600V以上的電壓中主要采用IGBT(絕緣柵極雙極型晶體管)。IGBT通過(guò)電導(dǎo)率調(diào)制，向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導(dǎo)通電阻比MOSFET還要小，但是同時(shí)由于少數(shù)載流子的積聚，在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生尾電流，從而造成極大的開(kāi)關(guān)損耗。

SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低，不需要進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的MOSFET實(shí)現(xiàn)高耐壓和低阻抗。而且MOSFET原理上不產(chǎn)生尾電流，所以用SiC MOSFET替代IGBT時(shí)，能夠明顯地減少開(kāi)關(guān)損耗，并且實(shí)現(xiàn)散熱部件的小型化。另外，SiC MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅(qū)動(dòng)，從而也可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)器件的小型化。與600V～1200V的Si MOSFET相比，SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)在于芯片面積小(可以實(shí)現(xiàn)小型封裝)，而且體二極管的恢復(fù)損耗非常小。

2、SiC Mosfet的導(dǎo)通電阻

SiC 的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si 的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實(shí)現(xiàn)高耐壓。因此，在相同的耐壓值的情況下，SiC 可以得到標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)通電阻(單位面積導(dǎo)通電阻)更低的器件。例如900V時(shí)，SiC‐MOSFET 的芯片尺寸只需要Si‐MOSFET 的35分之1、SJ‐MOSFET 的10分之1，就可以實(shí)現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻。不僅能夠以小封裝實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，而且能夠使門(mén)極電荷量Qg、結(jié)電容也變小。目前SiC 器件能夠以很低的導(dǎo)通電阻輕松實(shí)現(xiàn)1700V以上的耐壓。因此，沒(méi)有必要再采用IGBT這種雙極型器件結(jié)構(gòu)(導(dǎo)通電阻變低，則開(kāi)關(guān)速度變慢) ，就可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高耐壓、快速開(kāi)關(guān)等各優(yōu)點(diǎn)兼?zhèn)涞钠骷?/p>

3、Vd-Id特性

SiC‐MOSFET 與IGBT 不同，不存在開(kāi)啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通損耗。而Si MOSFET 在150℃時(shí)導(dǎo)通電阻上升為室溫條件下的2 倍以上，與Si MOSFET 不同，SiC MOSFET的上升率比較低，因此易于熱設(shè)計(jì)，且高溫下的導(dǎo)通電阻也很低。

4、驅(qū)動(dòng)門(mén)極電壓和導(dǎo)通電阻

SiC‐MOSFET 的漂移層阻抗比Si MOSFET 低，但是另一方面，按照現(xiàn)在的技術(shù)水平，SiC MOSFET的MOS 溝道部分的遷移率比較低，所以溝道部的阻抗比Si 器件要高。因此，越高的門(mén)極電壓，可以得到越低的導(dǎo)通電阻(Vgs=20V 以上則逐漸飽和)。如果使用一般IGBT 和Si MOSFET 使用的驅(qū)動(dòng)電壓Vgs=10～15V 的話(huà)，不能發(fā)揮出SiC 本來(lái)的低導(dǎo)通電阻的性能，所以為了得到充分的低導(dǎo)通電阻，推薦使用Vgs=18V左右進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。Vgs=13V 以下的話(huà)，有可能發(fā)生熱失控，請(qǐng)注意不要使用。

5、Vg-Id特性

SiC MOSFET 的閾值電壓在數(shù)mA 的情況下定義的話(huà)，與Si‐MOSFET 相當(dāng)，室溫下大約3V(常閉)。但是，如果流通幾個(gè)安培電流的話(huà)，需要的門(mén)極電壓在室溫下約為8V 以上，所以可以認(rèn)為針對(duì)誤觸發(fā)的耐性與IGBT 相當(dāng)。溫度越高，閾值電壓越低。

6、Turn-On特性

SiC‐MOSFET 的Turn‐on 速度與Si IGBT 和Si MOSFET 相當(dāng)，大約幾十ns。但是在感性負(fù)載開(kāi)關(guān)的情況下，由通往上臂二極管的回流產(chǎn)生的恢復(fù)電流也流過(guò)下臂，由于各二極管性能的偏差，從而產(chǎn)生很大的損耗。Si FRD 和Si MOSFET 中的體二極管的通?；謴?fù)電流非常大，會(huì)產(chǎn)生很大的損耗，而且在高溫下該損耗有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)。與此相反，SiC二極管不受溫度影響，可以快速恢復(fù)，SiC MOSFET 的體二極管雖然Vf 較高但是與碳化硅二極管相同，具有相當(dāng)?shù)目焖倩謴?fù)性能。通過(guò)這些快速恢復(fù)性能，可以減少Turn‐on 損耗(Eon)好幾成。開(kāi)關(guān)速度極大程度上決定于外部的門(mén)極電阻Rg。為了實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)作，推薦使用幾Ω左右的低阻值門(mén)極電阻。另外還需要考慮到浪涌電壓，選擇合適的門(mén)極電阻。

7、Turn-Off特性

SiC MOSFET 的最大特點(diǎn)是原理上不會(huì)產(chǎn)生如IGBT中經(jīng)常見(jiàn)到的尾電流。SiC 即使在1200V 以上的耐壓值時(shí)也可以采用快速的MOSFET 結(jié)構(gòu)，所以，與IGBT 相比，Turn‐off 損耗(Eoff)可以減少約90%，有利于電路的節(jié)能和散熱設(shè)備的簡(jiǎn)化、小型化。而且，IGBT 的尾電流會(huì)隨著溫度的升高而增大，而SiC‐MOSFET 幾乎不受溫度的影響。另外，由于較大的開(kāi)關(guān)損耗引起的發(fā)熱會(huì)致使結(jié)點(diǎn)溫度(Tj)超過(guò)額定值，所以IGBT 通常不能在20KHz 以上的高頻區(qū)域內(nèi)使用，但SiC MOSFET 由于Eoff 很小，所以可以進(jìn)行50KHz 以上的高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作。通過(guò)高頻化，可以使濾波器等被動(dòng)器件小型化。

8、內(nèi)部門(mén)極電阻

芯片內(nèi)部門(mén)極電阻與門(mén)極電極材料的薄層阻抗和芯片尺寸相關(guān)。如果是相同的設(shè)計(jì)，芯片內(nèi)部門(mén)極電阻與芯片尺寸呈反比例，芯片尺寸越小，門(mén)極電阻越大。SiC MOSFET 的芯片尺寸比Si 器件小，雖然結(jié)電容更小，但是同時(shí)門(mén)極電阻也就更大。

9、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路

SiC MOSFET 是一種易于驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)功率較少的常閉型、電壓驅(qū)動(dòng)型的開(kāi)關(guān)器件?；镜尿?qū)動(dòng)方法和IGBT 以及Si MOSFET一樣。推薦的驅(qū)動(dòng)門(mén)極電壓，ON 側(cè)時(shí)為+18V 左右，OFF 側(cè)時(shí)為0V。在要求高抗干擾性和快速開(kāi)關(guān)的情況下，也可以施加‐3～‐5V 左右的負(fù)電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)大電流器件和功率模塊時(shí)，推薦采用緩沖電路。

10、體二極管的 Vf 和逆向?qū)?/h4>

與Si MOSFET 一樣，SiC MOSFET體內(nèi)也存在因PN結(jié)而形成的體二極管(寄生二極管)。但是由于SiC的帶隙是Si的3倍，所以SiC MOSFET的PN二極管的開(kāi)啟電壓大概是3V左右，比較大，而且正向壓降(Vf)也比較高。以往，當(dāng)Si MOSFET外置回流用的快速二極管時(shí)，由于體二極管和外置二極管的Vf大小相等，為了防止朝向恢復(fù)慢的體二極管側(cè)回流，必須在MOSFET上串聯(lián)低電壓阻斷二極管，這樣的話(huà)，既增加了器件數(shù)量，也使導(dǎo)通損耗進(jìn)一步惡化。然而，SiC MOSFET的體二極管的Vf 比回流用的快速二極管的Vf還要高出很多，所以當(dāng)逆向并聯(lián)外置二極管時(shí)，不需要串聯(lián)低壓阻斷二極管。

體二極管的Vf比較高，這一問(wèn)題可以通過(guò)如同整流一樣向門(mén)極輸入導(dǎo)通信號(hào)使其逆向?qū)▉?lái)降低。逆變驅(qū)動(dòng)時(shí)，回流側(cè)的臂上多數(shù)是在死區(qū)時(shí)間結(jié)束之后輸入門(mén)極導(dǎo)通信號(hào)(請(qǐng)確認(rèn)使用中的CPU的動(dòng)作)，體二極管的通電只在死區(qū)時(shí)間期間發(fā)生，之后基本上是經(jīng)由溝道逆向流過(guò)。因此，即使在只由MOSFET(無(wú)逆向并聯(lián)的SBD)構(gòu)成的橋式電路中，體二極管的Vf較高也沒(méi)有問(wèn)題。

11、體二極管的恢復(fù)特性

SiC MOSFET的體二極管雖然是PN 二極管，但是少數(shù)載流子壽命較短，所以基本上沒(méi)有出現(xiàn)少數(shù)載流子的積聚效果，與SBD 一樣具有超快速恢復(fù)性能(幾十ns)。因此Si MOSFET的體二極管與IGBT外置的FRD相比，其恢復(fù)損耗可以減少到IGBT外置的FRD的幾分之一到幾十分之一。體二極管的恢復(fù)時(shí)間與SBD相同，是恒定的，不受正向輸入電流If的影響(dI/dt 恒定的情況下)。在逆變器應(yīng)用中，即使只由MOSFET 構(gòu)成橋式電路，也能夠?qū)崿F(xiàn)非常小的恢復(fù)損耗，同時(shí)還預(yù)期可以減少因恢復(fù)電流而產(chǎn)生的噪音，達(dá)到降噪。

從以上這些方面就能看出SiC MOSFET相對(duì)于Si IGBT和MOSFET的優(yōu)勢(shì)所在。

碳化硅mos的發(fā)展瓶頸

綜合各種報(bào)道，難題不在芯片的原理設(shè)計(jì)，特別是芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決好并不難。難在實(shí)現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的制作工藝。當(dāng)然對(duì)于用戶(hù)最直接的原因是，SiC MOSFET 的價(jià)格相當(dāng)昂貴，限制了它的普及。

舉例如下：

1、碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一種肉眼都可以看得見(jiàn)的宏觀(guān)缺陷，在碳化硅晶體生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展到能徹底消除微管缺陷之前，大功率電力電子器件就難以用碳化硅來(lái)制造。盡管優(yōu)質(zhì)晶片的微管密度已達(dá)到不超過(guò)15cm-2 的水平。但器件制造要求直徑超過(guò)100mm的碳化硅晶體，微管密度低于0.5cm-2 。

2、外延工藝效率低。碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在1500℃以上的高溫下進(jìn)行。由于有升華的問(wèn)題，溫度不能太高，一般不能超過(guò)1800℃，因而生長(zhǎng)速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產(chǎn)量較低。

3、摻雜工藝有特殊要求。如用擴(kuò)散方法進(jìn)行慘雜，碳化硅擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于硅，此時(shí)掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用，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)散法摻雜，而要用離子注入摻雜。如果p型離子注入的雜質(zhì)使用鋁。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。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。

4、歐姆接觸的制作。歐姆接觸是器件電極引出十分重要的一項(xiàng)工藝。在碳化硅晶片上制造金屬電極，要求接觸電阻低于10- 5Ωcm2，電極材料用Ni和Al可以達(dá)到，但在100℃ 以上時(shí)熱穩(wěn)定性較差。采用Al/Ni/W/Au復(fù)合電極可以把熱穩(wěn)定性提高到600℃、100h ，不過(guò)其接觸比電阻高達(dá)10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化硅的歐姆接觸比較難。

5、配套材料的耐溫。碳化硅芯片可在600℃溫度下工作，但與其配套的材料就不見(jiàn)得能耐此高溫。例如，電極材料、焊料、外殼、絕緣材料等都限制了工作溫度的提高。

以上僅舉數(shù)例，不是全部。還有很多工藝問(wèn)題還沒(méi)有理想的解決辦法，如碳化硅半導(dǎo)體表面挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態(tài)對(duì)碳化硅MOSFET器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響方面，行業(yè)中還有沒(méi)有達(dá)成一致的結(jié)論等，大大阻礙了碳化硅功率器件的快速發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

借鑒各類(lèi)科技發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，凡事都有一個(gè)自己的發(fā)展規(guī)律。例如晶閘管上世記五十年代在我國(guó)出現(xiàn)，用于電氣控制，受到各行各業(yè)歡迎，但并不一帆風(fēng)順。先是可控硅熱，后因設(shè)計(jì)原理沒(méi)有徹底搞清，產(chǎn)品故障頻發(fā)，社會(huì)出現(xiàn)了“可怕硅”的恐懼。經(jīng)過(guò)努力，下定決心克服難題，迎來(lái)了晶閘管的普及使用。所以，碳化硅功率器件的發(fā)展也不可能出現(xiàn)短期的飛躍要有個(gè)過(guò)程。