SiC功率器件的新發(fā)展和挑戰(zhàn)！

碳化硅（SiC）被認為是未來功率器件的革命性半導體材料;許多SiC功率器件已成為卓越的替代電源開關技術，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/肖特基二極管（JBS），然后介紹碳化硅聚碳場效應管、DMOSFET和幾種MESFET，第三部分是關于碳化硅雙極器件，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），被稱為第三代半導體材料。SiC是1824年由Berzelius在鉆石合成實驗中發(fā)現的。SiC的首次用途是作為磨料。其次是電子應用程序。在20世紀初，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，當時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)射來生產第一個LED。這引起了電子研究人員的極大關注，大約半個世紀前，SiC在半導體行業(yè)的潛力得到了認可。與使用最廣泛的半導體材料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，高導熱性，高電子飽和速度，化學惰性和輻射硬度[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年代其晶體質量和制造技術有了很大的提高，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取得了長足的進步。自2001年起，英飛凌公司開始供應碳化硅肖特基二極管?，F在碳化硅二極管、MOSFET、JFT、BJT等碳化硅三端器件已經面世，CREE、東芝、意法半導體等公司都有供貨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外延材料工藝的進展，獲得高質量的4H-SiC襯底和外延層是可行的，從而為SiC功率器件實現優(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注SiC材料，成本即將大幅下降，預計在不久的將來可以承受成本;反過來，這將促進SiC功率器件的發(fā)展。

碳化硅（SiC）被認為是未來功率器件的革命性半導體材料;許多SiC功率器件已成為卓越的替代電源開關技術，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/肖特基二極管（JBS），然后介紹碳化硅聚碳場效應管、DMOSFET和幾種MESFET，第三部分是關于碳化硅雙極器件，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管場效應管

第一代和第二代半導體材料分別以硅（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表。寬帶隙材料，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），被稱為第三代半導體材料。SiC是1824年由Berzelius在鉆石合成實驗中發(fā)現的。SiC的首次用途是作為磨料。其次是電子應用程序。在20世紀初，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，當時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)射來生產第一個LED。這引起了電子研究人員的極大關注，大約半個世紀前，SiC在半導體行業(yè)的潛力得到了認可。與使用最廣泛的半導體材料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，高導熱性，高電子飽和速度，化學惰性和輻射硬度[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年代其晶體質量和制造技術有了很大的提高，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取得了長足的進步。自2001年起，英飛凌公司開始供應碳化硅肖特基二極管?，F在碳化硅二極管、MOSFET、JFT、BJT等碳化硅三端器件已經面世，CREE、東芝、意法半導體等公司都有供貨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外延材料工藝的進展，獲得高質量的4H-SiC襯底和外延層是可行的，從而為SiC功率器件實現優(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注SiC材料，成本即將大幅下降，預計在不久的將來可以承受成本;反過來，這將促進SiC功率器件的發(fā)展。

碳化硅二極管

功率二極管是現代電源應用中的關鍵元件。經典的整流功能因對開啟和關閉速度的高要求而升級。為了制造SiC功率器件，歐姆觸點在半導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，在結構表征和電氣性能方面，已經研究了大量的歐姆觸點材料。對于n型SiC材料上的歐姆觸點，最有希望的金屬是鎳（Ni）。已經證明，在900-1000oC范圍內退火的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的反向恢復電流為零。圖1顯示了碳化硅SBD的一般結構;它由金屬和半導體塊區(qū)域之間的電非線性接觸形成。由SiC制造的SBD為電源電路設計提供了新的學位，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，預計SBD可以施加高達2，000 V的阻斷電壓（因為合并解決方案也高達3 kV）[8].首次報道了采用場板端子技術的4H-SiC，擊穿電壓為1，750 V[9].甚至可以預見，這種類型的二極管可能會取代中等功率電機驅動模塊中的Si雙極二極管。由于SBD中沒有反向恢復電荷，因此它具有極快的導通性能，非常適合高速開關應用，并大幅降低典型電路的動態(tài)損耗。與硅和砷化鎵二極管相比，SiC的高導熱性也是SiC SBD的一大優(yōu)勢，因為它允許SBD在更小尺寸的冷卻系統中以更高的電流密度額定值運行。然而，由于其較低的內置電位屏障，其反向漏電流很大，尤其是在高溫下。

碳化硅MESFET

對于SiC功率金屬半導體場效應晶體管（MESFET），擊穿電壓是允許功率器件實現特定功率密度和功率轉換的一個非常重要的參數。圖6是傳統碳化硅MESFET的示意圖。先前的研究提出了許多改善擊穿電壓的技術[22,23].為了優(yōu)化表面電場并改善擊穿電壓，提出了新技術，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技術在超薄外延層上獲得的?？梢源_保這些新技術可以直接移植到SiC功率MESFET上。因此，設計了幾種新的SiC功率MESFET，以優(yōu)化擊穿電壓、特定導通電阻、頻率和跨導的特性。

SiC功率器件的封裝也是一個緊迫的問題。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鍵因素。當設備在高溫（≥200°C）下工作或冷卻液溫度要求工作溫度高于當今的~150°C極限時，封裝可靠性也很重要。例如，使用發(fā)動機冷卻液的汽車電機驅動、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，需要用于高溫應用的新型封裝材料。

由于通過非?？焖俚拈_關可以大大降低開關能量，并且在快速開關區(qū)域應用SiC功率器件時，應考慮器件和封裝之間的內部電磁寄生效應問題。先進的電源模塊架構非常重要。

在SiC功率器件的應用過程中，人們應該考慮高電場問題。由于器件內部電場較高，鈍化層和芯片表面的場應力非常高，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度下，任何顆粒或移動離子形式的污染都可能導致可能的電化學驅動腐蝕過程;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鍵。這使得先進的絕緣技術變得非常重要。

由于沒有反向恢復電荷，SBD具有極快的導通性能，非常適合高速開關應用，大大降低了典型電路的動態(tài)損耗，同時最大限度地減少了冷卻系統的尺寸。SiC PiN二極管具有低柵極漏電流和高擊穿電壓的特點，因此可以在高電壓和低頻情況下用作開關。JBS具有與肖特基二極管相似的導通狀態(tài)和開關特性，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，因為柵極電容更小，跨導更高。SiC BJT的開關損耗和導通狀態(tài)電壓遠低于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將不會在商業(yè)上得到普及。

審核編輯：湯梓紅