功率器件是電力電子技術(shù)的核心，在電力電子技術(shù)朝著高頻、高功率密度發(fā)展的方向上扮演著至關(guān)重要的角色。目前，硅(silicon，Si)器件的發(fā)展已經(jīng)十分成熟，在 600V 以下的應(yīng)用，Si 基金氧半場(chǎng)效晶體管 (metal-oxide-semiconductor field effecttransistor，MOSFET)占據(jù)主流，而 Si 基超級(jí)結(jié)器件和絕緣柵雙極型晶體管 (insulator gate bipolartransistor，IGBT)則主導(dǎo)了 0.6~6.5kV 的高壓應(yīng)用市場(chǎng)。盡管如此，受限于硅材料特性的限制，硅器件的發(fā)展空間已經(jīng)較為有限。例如，目前 Si 基 IGBT耐壓極限為 6.5kV，工作溫度低于 175℃，且由于雙極性導(dǎo)通模式，器件開(kāi)關(guān)速度較低，限制了其在高頻應(yīng)用中的推廣。

 

近 20 多年來(lái)，以碳化硅(silicon carbide，SiC)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件，受到了廣泛的關(guān)注。SiC 材料具有 3 倍于硅材料的禁帶寬度，10 倍于硅材料的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，3 倍于硅材料的熱導(dǎo)率，因此 SiC 功率器件適合于高頻、高壓、高溫等應(yīng)用場(chǎng)合，且有助于電力電子系統(tǒng)的效率和功率密度的提升。

 

自2001 年Infineon推出第一款商業(yè)SiC 二極管以來(lái)，SiC 器件的研究已經(jīng)得到了極大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外都有不少研究成果。SiC 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(junction field effect transistor，JFET)器件、MOSFET器件的研發(fā)也逐步從科研機(jī)構(gòu)向企業(yè)轉(zhuǎn)移。JFET器件及 MOSFET 器件為單極型器件，其開(kāi)關(guān)速度高，主要適用于 0.6~10kV 的范圍，BJT、IGBT、門(mén)極可斷晶閘管(gate turn-off thyristor，GTO)器件為雙極型器件，適用于 4.5~10kV 以上的高壓范圍。2008 年 Semisouth 發(fā)布了第一款常關(guān)型的 SiC JFET器件，TranSiC 發(fā)布了 SiC BJT。Infineon 也在 2012年發(fā)布了第一款 SiC 開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)品 JFET 器件。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展和柵氧界面處理技術(shù)的成熟，2010 年 Cree 和 Rohm 推出了平面柵 MOSFET 產(chǎn)品，2015 年 Rohm 繼續(xù)優(yōu)化推出了溝槽柵MOSFETInfineon 也于 2017 年發(fā)布了溝槽柵MOSFET。

 

本文對(duì)近年的研究成果進(jìn)行分類(lèi)梳理，并進(jìn)行對(duì)比分析。主要分為 SiC 二極管、SiC JFET、SiCMOSFET、SiC IGBT、SiC GTO 器件，并分析各器件在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和不足。最后，本文還對(duì)現(xiàn)有器件技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

 

SiC 功率二極管有 3 種類(lèi)型：PiN 二極管、肖特基二極管(Schottky barrier diode，SBD)和結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管(junction barrier Schottky diode，JBS)，3 種類(lèi)型的二極管結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。JBS 二極管結(jié)合了肖特基二極管在正向?qū)ㄇ闆r下單極型導(dǎo)電的優(yōu)點(diǎn)及 PiN 結(jié)二極管反向漏電流較低的優(yōu)點(diǎn)，在4.5kV 阻斷電壓以下通常采用此結(jié)構(gòu)。2001 年第一款商業(yè)化 SiC JBS 二極管進(jìn)入市場(chǎng)，目前國(guó)外廠商Cree、ST 及 Infineon 公司都已推出了 0.6~1.7kV 的SiC JBS 二極管產(chǎn)品，最大電流為 50A，Rohm 采用推出了 0.6~1.2kV 的 SBD 二極管產(chǎn)品，最大電流為40A。

 

 

隨著器件耐壓的進(jìn)一步提高(4.5~10kV 以上)，漂移區(qū)的電阻增加，限制了單極型器件性能的進(jìn)一步提高，因此相比于肖特基二極管 PiN 結(jié)二極管在高壓場(chǎng)合更具優(yōu)勢(shì)。京都大學(xué)于 2012 年完成了26.9kV SiC PiN 二極管的研制，其比導(dǎo)通電阻低至9.7mΩ.cm2。GeneSiC 公司推出了 8kV/2A 以及15kV/1A 的 PiN 二極管產(chǎn)品，但是其電流能力遠(yuǎn)低于直流輸電等高壓應(yīng)用場(chǎng)合的需求。大電流能力就需要大面積的器件，但是 SiC 厚外延生長(zhǎng)工藝會(huì)引入的額外的缺陷密度會(huì)導(dǎo)致 PiN 二極管的良率較低限制大面積芯片的商業(yè)化。2005 年 Cree 研制了10kV/50A 的 SiC PiN 二極管，但良率僅有 23%。此外 SiC 材料中少子壽命較短，雙極型電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不顯著，使得 PiN 二極管的器件的導(dǎo)通電阻較大，因而開(kāi)發(fā)成熟的提高少數(shù)載流子壽命的工藝成為研發(fā)高壓大電流 PiN 二極管器件的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。表 1 總結(jié)了現(xiàn)有 SiC 二極管的電壓等級(jí)和器件性能。

 

目前 SiC 二極管已大量運(yùn)用于商業(yè)化的電能轉(zhuǎn)換裝置中。在高壓大容量裝置在啟動(dòng)的過(guò)程中，存在大電流沖擊過(guò)程，該應(yīng)用對(duì)二極管的抗浪涌沖擊能力提出了挑戰(zhàn)?；旌?PN 結(jié)肖特基二極管(mergedPiN Schottky diode)是在 JBS 二極管的基礎(chǔ)上提出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，通過(guò)加入大面積 P 區(qū)以及 P 型歐姆接觸的設(shè)計(jì)，可以將浪涌電流能力提高 2~4 倍。通過(guò)設(shè)計(jì)以及工藝上的改進(jìn)，各廠家二極管的浪涌能力普遍達(dá)到額定電流的 10 倍以上。而 Infineon通過(guò)元胞優(yōu)化，其浪涌電流密度達(dá)到了 5600A/cm2的水平，為額定電流的 18 倍。Cree 和 Infineon 公司的 1.2kV 二極管產(chǎn)品的抗浪涌電流能力的數(shù)據(jù)如圖 2 所示。

 

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi) SiC 二極管產(chǎn)業(yè)也日益成熟，2014年起逐漸打破了國(guó)外對(duì)SiC二極管技術(shù)的商業(yè)壟斷，泰科天潤(rùn)公司目前實(shí)現(xiàn)了 0.6~1.7kV 不同系列的 SiC 二極管產(chǎn)品的商業(yè)化。株洲中車(chē)時(shí)代電氣公司發(fā)布了 0.65~5kV 不同電壓等級(jí)的 SiC 二極管產(chǎn)品。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司五十五所建立了4~6 英寸 SiC 二極管產(chǎn)線，開(kāi)發(fā)了 0.6~6.5kV 系列產(chǎn)品，單芯片導(dǎo)通電流最大達(dá)到 50A，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 10kV SiC JBS 二極管的研制；基本半導(dǎo)體公司已推出 0.65~1.7kV 不同系列的 SiC 二極管產(chǎn)品，電流最大可到 40A。各科研院所中，西安電子科技大學(xué)研制出了 1.2kV SiC JBS 二極管；浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了 6.5kV SiC JBS 二極管、1.2kV 溝槽型JBS 二極管和 MPS 二極管，對(duì)于 MPS 二極管，通過(guò)離子注入工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，將二極管的浪涌電流提高到額定電流的 33~35 倍，超出Infineon 第五代二極管產(chǎn)品的 10 倍以上。在 PiN 二極管器件方面，基本半導(dǎo)體推出了 10kV/2A 的器件產(chǎn)品，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)商業(yè) PiN 二極管產(chǎn)品的空白。國(guó)內(nèi) 3.3kV 以下電壓等級(jí)的器件與國(guó)外的器件差距逐漸減小，高壓器件因受限于材料的發(fā)展水平相對(duì)比較落后。

 

SiC JFET 器件利用柵極 PN 結(jié)耗盡層實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)正常狀態(tài)下單極性導(dǎo)電，器件擁有良好的高頻特性。其一種形式的器件結(jié)構(gòu)如圖 3(a)所示，其閾值電壓通過(guò)頂部 SiC 寬度以及兩側(cè)注入的 P 區(qū)決定。2008 年美國(guó) SemiSouth 公司發(fā)布了第一款常閉型 JFET 之后，同年羅格斯大學(xué)報(bào)道了擊穿為1.65kV、比導(dǎo)通電阻為 1.88mΩ.cm 2 的常通型 SiCTI-JFET 器件，2009 年 Sheridan 研制了 1.9kV 的常閉型 SiC JFET 器件，比導(dǎo)通電阻為 2.8mΩ.cm 2。國(guó)內(nèi)研究 SiC JFET 器件的公司以及研究機(jī)構(gòu)較少。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司五十五所利用自主生產(chǎn)的SiC 外延材料，研制出 1.2~4.5kV 常關(guān)型 SiC JFET，最大單芯片電流容量達(dá) 25A。浙江大學(xué)研制出4.5kV SiC JFET 器件，正向電流達(dá)到 2.8A。

 

 

相比 MOSFET 器件來(lái)說(shuō)，SiC JFET 利用 PN結(jié)控制柵極，為避免柵極 PN 結(jié)開(kāi)通，柵極偏置一般不超過(guò) 2.6V。而常閉型 SiC JFET 器件的閾值電壓一般在 0.7~1V，導(dǎo)致了兩個(gè)使用和驅(qū)動(dòng)方面的問(wèn)題。其一是閾值電壓較低，零偏關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程中容易引發(fā)誤開(kāi)通，其二是 2.6V 的驅(qū)動(dòng)上限嚴(yán)重限制了器件柵極的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，因此限制了其性能的發(fā)揮。而常通型 SiC JFET 在器件阻斷時(shí)則需要施加較大的負(fù)向偏置使得溝道區(qū)域完全夾斷。因此這2 種 SiC JFET 器件都無(wú)法與現(xiàn)有的器件(MOSFET\IGBT)的驅(qū)動(dòng)電路兼容，增加了 SiC JFET 器件的使用難度。Semisouth 公司是第一家發(fā)布 SiC JFET 器件產(chǎn)品，但在 2013 年，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路與硅基 IGBT器件的不兼容以及 SiC 器件市場(chǎng)還未打開(kāi)等原因?qū)е略摴镜归]。USCi 公司為了解決驅(qū)動(dòng)不兼容的問(wèn)題提出了源級(jí)級(jí)聯(lián) JFET 技術(shù)，如圖 3(b)所示，器件結(jié)構(gòu)使用了低壓硅基 MOSFET 和 SiC JFET 級(jí)聯(lián)的辦法，使得器件的驅(qū)動(dòng)可以與 Si 基 MOSFET\IGBT 器件兼容。至今 USCi 公司基于該級(jí)聯(lián) JFET技術(shù)推出了 650V/≤85A 及 1.2kV//≤ 63A 等不同容量的器件產(chǎn)品。該級(jí)聯(lián)技術(shù)仍存在一些問(wèn)題，包括門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于開(kāi)關(guān)速度的控制能力降低，電路設(shè)計(jì)者無(wú)法通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)來(lái)控制開(kāi)關(guān)快慢；多芯片封裝帶來(lái)的成本和復(fù)雜性問(wèn)題、兩個(gè)器件之間動(dòng)態(tài)性能匹配可能帶來(lái)的可靠性問(wèn)題及動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程中引線電感帶來(lái)的損耗和可靠性問(wèn)題等。

 

 

SiC MOSFET 是一種具有絕緣柵結(jié)構(gòu)的單極性器件，關(guān)斷過(guò)程不存在拖尾電流，降低了開(kāi)關(guān)損耗，進(jìn)而減小散熱器體積；并且其開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)頻率高，有利于減小變換器中電感和電容的體積，提高裝置的功率密度，有效降低裝置的系統(tǒng)成本。然而器件因?yàn)樵跂叛踅缑鏁?huì)引入碳團(tuán)簇，引起柵氧界面態(tài)密度較高，導(dǎo)致溝道電阻大。針對(duì)柵氧界面，國(guó)際上眾多團(tuán)隊(duì)在二十多年的時(shí)間中進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，2000 年 Chung 等人報(bào)道了通過(guò)一氧化氮(NO)退火的方式將溝道遷移率提高至接近 20cm2 /Vs 的方案，柵氧可靠性也因?yàn)榻缑鎽B(tài)的鈍化工藝而得到了提升。隨著柵氧工藝的日益成熟，2010 年起各公司相繼推出 SiC MOSFET 產(chǎn)品。Cree 公司采用雙注入 MOSFET(double implantation MOSFET，DMOSFET)的技術(shù)路線，結(jié)構(gòu)如圖 4(a)所示，該公司自 2010 年起發(fā)布商業(yè)化 SiC MOSFET。器件通過(guò)改進(jìn)元胞尺寸以及改善 SiC/SiO2(二氧化硅)界面特性的手段，元胞尺寸從發(fā)布的第一代產(chǎn)品的10μm 降低至第三代產(chǎn)品的 6μm，比導(dǎo)通電阻也從發(fā)布的第一代產(chǎn)品的 12mΩ.cm 2 降至第三代產(chǎn)品的3.78mΩ.cm 2。2015 年 Cree 公司提出中心注入MOSFET(central implant MOSFET，CIMOSFET)結(jié)構(gòu)如圖 5(a)所示，通過(guò)在柵極下方 JFET 區(qū)域注入 P 型摻雜，減小了 JFET 區(qū)域的同時(shí)，也減小了柵氧區(qū)域的電場(chǎng)，其 1.2kV 器件室溫比導(dǎo)通電阻為2.7mΩ.cm2，150℃時(shí)的比導(dǎo)通電阻為 3.9mΩ.cm 2。

 

 

由于 DMOSFET 結(jié)構(gòu)的溝道形成于(0001)晶面上，溝道遷移率較低，同時(shí) DMOSFET 結(jié)構(gòu)還存在JFET 區(qū)域，導(dǎo)致器件的導(dǎo)通電阻很難得到進(jìn)一步降低。溝槽型 MOSFET(trench MOSFET，TMOSFET)結(jié)構(gòu)通過(guò)在溝槽側(cè)壁形成溝道，不僅可以提高溝道遷移率，還能消除 JFET 區(qū)域，實(shí)現(xiàn)降低器件導(dǎo)通電阻的目的。并且由于碳化硅材料本身的特性，溝槽側(cè)壁方向上的遷移率高于 DMOSFET 器件水平方向的遷移率，使溝槽型 MOSFET 器件的溝道電阻低于 DMOSFET。

 

 

TMOSFET 器件結(jié)構(gòu)如圖 4(b)所示，其正向?qū)娮韪?，目前業(yè)界研究熱點(diǎn)已逐步轉(zhuǎn)向TMOSFET。然而 TMOSFET 器件的溝槽角落的柵氧需要承受較大的電場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)器件可靠性帶來(lái)隱患，如何降低了溝槽底部氧化層電場(chǎng)強(qiáng)度成為研究團(tuán)隊(duì)和企業(yè)研究的焦點(diǎn)。2012 年，日本 Rohm 公司提出了使用雙溝槽結(jié)構(gòu)，采用 P 型基區(qū)采用深槽刻蝕和離子注入的方法形成深 P+區(qū)，用以保護(hù)柵極氧化層的電場(chǎng)，如圖 5(b)所示。該器件耐壓達(dá)1.26kV，比導(dǎo)通電阻達(dá)到 1.41mΩ.cm 2。同年，日本高技術(shù)研究院(AIST)的 Okumura 在 Rohm 公司提出的雙溝槽的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，柵極溝槽底部注入P+區(qū)域。注入的 P 區(qū)降低了氧化層的電場(chǎng)，其擊穿電壓達(dá)到 3.3kV，比導(dǎo)通電阻達(dá)到 7mΩ.cm 2。2016年，日本 AIST 研究所開(kāi)發(fā)高能注入工藝，在器件源區(qū)進(jìn)行高能離子注入，加強(qiáng) P 阱區(qū)域?qū)τ跍喜鄣撞勘Ｗo(hù)，制備得到的器件擊穿電壓達(dá)到 3.8kV，比導(dǎo)通電阻僅為 9.4mΩ.cm 2。2017 年，Infineon 發(fā)布了 SiC MOSFET 產(chǎn)品 CoolSiC™，結(jié)構(gòu)如圖 5(c)所示[6]。該結(jié)構(gòu)以犧牲一半溝道寬度的條件下，通過(guò)深注入 P+區(qū)域更好的保護(hù)柵氧，使其不受到高電場(chǎng)的影響提高了器件的可靠性。

 

2018 年瀚薪公司將肖特基二極管集成到MOSFET 結(jié)構(gòu)中代替原有 PiN 體二極管，提高了器件體二極管導(dǎo)通能力，并且避免了少子復(fù)合而造成的產(chǎn)生基平面缺陷的風(fēng)險(xiǎn)[36]。隨著技術(shù)的成熟，國(guó)外產(chǎn)業(yè)界已逐步推出大電流的 MOSFET 器件，Rohm公司發(fā)布650V/≤118A，1.2kV/≤95A的器件。Cree 公司推出了最大電流分別為 900V/≤ 196A，1.2kV/≤ 149A，1.7kV/≤ 72A 的器件。3.3kV 及以上電壓等級(jí)的器件暫時(shí)還未推出成熟的產(chǎn)品，仍然在進(jìn)行研發(fā)工作。ABB 公司完成了 3.3kV/100A 的SiC MOSFET 器件的研制。Cree 公司推出了3.3kV/45A 的，并逐步推向市場(chǎng)，Mitsubishi 報(bào)道了 6.5kV/45A 的 SiC MOSFET 器件。3.3~6.5kV的器件主要針對(duì)風(fēng)力發(fā)電以及高鐵的應(yīng)用場(chǎng)合，然而器件的容量只能滿足風(fēng)力發(fā)電的需求，但對(duì)高鐵的容量需求仍有差距。而在高壓 MOSFET 方面 Cree公司技術(shù)較為領(lǐng)先相繼推出了 15kV/8A、10kV/10A以及 10kV/20A 的器件，但電流等級(jí)較實(shí)際應(yīng)用環(huán)境如直流輸電等仍有較大的差距。究其原因主要在于：1）高耐壓器件由于外延較厚，在生長(zhǎng)工藝中更易引入缺陷；2）MOSFET 器件柵氧部位對(duì)缺陷較為敏感可靠性存在問(wèn)題。表 2 是近期 SiC JFET和 MOSFET 器件特性的總結(jié)。在 MOSFET 器件中DMOSFET 能避免溝槽角落電場(chǎng)聚集的問(wèn)題，因而適合高壓的環(huán)境，而 TMOSFET 減小了 JFET 區(qū)域的電阻且溝道電阻也能適當(dāng)減小，更適合低壓的環(huán)境。JFET 器件導(dǎo)通特性?xún)?yōu)于 MOSFET，但存在難以控制的問(wèn)題。

 

國(guó)內(nèi) SiC MOSFET 起步較晚，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司五十五所建立了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的高壓大電流 SiC MOSFET 器件研發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了 1.2kV/50A、1.7kV/50A、3.3kV/30A、6.5kV/25A 等器件的研制，其中 1.2kV/50A 的器件比導(dǎo)通電阻降低至6.4mΩ.cm2，1.7kV/50A 的器件比導(dǎo)通電阻達(dá)到19.7mΩ.cm2，株洲中車(chē)時(shí)代電氣公司完成了600V/5A、1.2kV/20A 和 1.7kV/5A 等器件的研制?；景雽?dǎo)體公司發(fā)布了 1.2kV/100A 的 SiC MOSFET器件。另外，中國(guó)科學(xué)院微電子所成功研制1.2kV SiC MOSFET 器件；浙江大學(xué)成功研制 1.2kVSiC MOSFET 器件，元胞尺寸為 14μm，比導(dǎo)通電阻為 8mΩ.cm2。

 

總體上，國(guó)際上多家企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn) SiCMOSFET 器件的商業(yè)化，并已逐步推出溝槽型 SiCMOSFET 器件。而國(guó)內(nèi)的 SiC MOSFET 器件基本采用平面柵 MOSFET 結(jié)構(gòu)，研發(fā)進(jìn)度相對(duì)落后，工藝技術(shù)的不成熟與器件可靠性是國(guó)內(nèi) SiC MOSFET器件的主要問(wèn)題。

 

 

在高壓器件中為了達(dá)到更高的開(kāi)關(guān)速度，一般采用絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。IGBT 器件與 MOSFET 器件相比需要將 MOSFET 結(jié)構(gòu)中的 N 型襯底用 P 型代替，正面有源區(qū)結(jié)構(gòu)和工藝和 MOSFET 器件相類(lèi)似，如圖 6所示。2014 年 AIST 最先制作注入增強(qiáng)型n-IGBT，其電流達(dá)到 20A，阻斷電壓達(dá)到 16kV。

 

 

柵極偏壓為 30V 的情況下，20A 時(shí)正向壓降為6.35V，比導(dǎo)通電阻為 14mΩ.cm2。2015 年 Cree公司制作了 27.5kV 的 IGBT，器件通過(guò)熱氧工藝預(yù)處理 SiC 外延片，將外延的壽命從 2μs 提高到 10μs，降低了漂移區(qū)電阻，提高了器件導(dǎo)通能力。柵極偏壓為 20V 的情況下，20A 時(shí)正向壓降為 11.7V，同時(shí)器件為正溫度系數(shù)，便于器件的并聯(lián)。2017年倫斯特理工學(xué)院報(bào)道了雙向的 IGBT 器件。器件通過(guò)在背部制作柵氧及溝道結(jié)構(gòu)，使得器件變成了兩個(gè) IGBT 器件反向并聯(lián)的狀態(tài)，50A/cm2 時(shí)正向壓降為 9.7V，并且耐壓達(dá)到 7.2kV。上述三個(gè)器件的特性總結(jié)在表 3 中，可以發(fā)現(xiàn)如今 SiC-IGBT器件最大電流在 32A，還是不能滿足高壓直流輸電電流等級(jí)高于 100A 的需求。

 

 

在高壓器件中 IGBT 擁有較好開(kāi)關(guān)速度，但是由于柵氧結(jié)構(gòu)的存在，在制作大電流器件時(shí)不可避免地存在良率低，可靠性差的情況。柵極可關(guān)斷晶體管(gate turn-off thyristor，GTO)可以避免這個(gè)問(wèn)題。GTO 器件由于可以從陽(yáng)極和陰極兩側(cè)同時(shí)注入少子，因此可以得到更高的電流密度，結(jié)構(gòu)如圖 7所示。2012 年 Cree 公司研制 GTO 其耐壓達(dá)到22.1kV。2015 年北卡州立大學(xué)研制出首個(gè)正反向阻斷耐壓對(duì)稱(chēng)且都達(dá)到 4kV 的 GTO 器件。

 

 

表 3 是 SiC GTO 和 IGBT 器件特性的總結(jié)，因?yàn)椴淮嬖跂叛踅Y(jié)構(gòu)，GTO 器件已實(shí)現(xiàn)的通流能力大于 IGBT 器件，但仍低于直流輸電等場(chǎng)合的容量需求。SiC IGBT 和 GTO 器件兩者都處于研發(fā)的階段，離成熟的技術(shù)、穩(wěn)定的工藝、可靠的性能以及產(chǎn)業(yè)化還存在較大的差距。

 

 

 

前文論述了各類(lèi)器件的特性和發(fā)展歷史，圖 8展示了目前已報(bào)道的 SiC 各類(lèi)型器件的阻斷電壓和比導(dǎo)通電阻的分布情況。在實(shí)際碳化硅的應(yīng)用場(chǎng)合如圖 9 所示：光伏逆變模塊主要使用 0.6~1.2kV，電流等級(jí)在 20A 以上的器件；電動(dòng)汽車(chē)模塊主要使用 0.6~1.2kV，電流等級(jí)在 20~50A 的器件；風(fēng)力發(fā)電主要使用 1.2~3.3kV，電流等級(jí)高于 20A 的器件；高鐵應(yīng)用場(chǎng)合中則需要 3.3~6.5kV，電流不低于100A 的器件；直流輸電的應(yīng)用場(chǎng)合中需要大于6.5kV 電壓等級(jí)且導(dǎo)通電流大于 100A 的器件。具體各類(lèi)器件的優(yōu)勢(shì)和不足在表 4 中列出。

 

現(xiàn)階段在SiC 二極管器件中，0.65~1.7kV 的 JBS 器件較為成熟，能提供超過(guò) 100A 電流的單管芯片，滿足光伏逆變、電動(dòng)汽車(chē)以及風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)合的應(yīng)用。在高壓大電流器件方面，由于材料和工藝的原因，PiN 二極管器件仍然距離市場(chǎng)化較遠(yuǎn)，需通過(guò)生長(zhǎng)缺陷密度更低的碳化硅外延材料以及開(kāi)發(fā)成熟的增強(qiáng)壽命的工藝以滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合大電流的需求。在開(kāi)關(guān)器件中，JFET 器件較為特殊，一般使用 USCi 公司的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特性與 MOSFET 相類(lèi)似，但驅(qū)動(dòng)對(duì)開(kāi)關(guān)速度等參數(shù)的控制能力削弱。MOSFET 器件中 0.65~1.7kV 電壓等級(jí)的器件也逐步推向市場(chǎng)，逐步在光伏逆變、風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用，其柵氧工藝也在逐步完善。國(guó)外廠家的 MOSFET 器件都已陸續(xù)通過(guò)可靠性檢驗(yàn)，并使用在電動(dòng)汽車(chē)等應(yīng)用上。但是在高鐵等大功率，高可靠性的應(yīng)用場(chǎng)景，器件還存在提升空間。而直流輸電等超高壓大電流的工作狀態(tài)需要 IGBT 器件和 GTO 器件，GTO 器件能避免柵極氧化層帶來(lái)的可靠性問(wèn)題而更被看好，而如何降低器件材料的缺陷，增加器件的電流能力則是兩類(lèi)器件都亟待解決的問(wèn)題。

 

 

 

SiC 二極管以及 SiC MOSFET 已逐步走向市場(chǎng)，出現(xiàn)較為成熟的產(chǎn)品。SiC 二極管因?yàn)椴淮嬖诜聪蚧謴?fù)電荷的優(yōu)點(diǎn)，已逐步替代硅基二極管得到廣泛的應(yīng)用。SiC MOSFET 也逐步用于光伏逆變器、充電樁等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，然而 MOSFET 器件柵氧的質(zhì)量以及較高的成本仍然是限制其得到普遍應(yīng)用的瓶頸。在未來(lái) 5 年內(nèi)國(guó)內(nèi)外的研究?jī)?nèi)容將集中在 SiC 襯底和外延質(zhì)量的提升、柵氧工藝的優(yōu)化和器件可靠性的提高、高壓大容量 SiC 器件的研發(fā)以及超級(jí)結(jié)等新型器件結(jié)構(gòu)等方面。

 

 

SiC 材料現(xiàn)有外延生長(zhǎng)工藝中會(huì)引入晶體的非理想狀態(tài)，包括擴(kuò)展缺陷以及點(diǎn)缺陷。大部分的擴(kuò)展缺陷是由從襯底材料中復(fù)制而來(lái)，也有少部分在外延生長(zhǎng)工藝中引入。而點(diǎn)缺陷主要由外延生長(zhǎng)工藝引入。擴(kuò)展缺陷主要包括微管(micropipe)、基平面位錯(cuò)(basal plane dislocation)、螺旋位錯(cuò)(threading screw dislocation)、刃位錯(cuò)(threading edge dislocation)及堆垛層錯(cuò)(stacking fault)。微管是最為致命的缺陷，會(huì)引起阻斷電壓大幅度下降以及漏電流的大幅度升高，如今外延廠商基本已將缺陷密度的控制在0.1cm-2 以下，技術(shù)較為領(lǐng)先的 Cree 等公司已經(jīng)能生產(chǎn)零微管的碳化硅 4 寸晶圓?；矫嫖诲e(cuò)會(huì)顯著的影響少子壽命，增加導(dǎo)通電阻，并且由于少子復(fù)合的能量釋放逐步擴(kuò)展為堆垛層錯(cuò)，影響器件耐壓，同時(shí)受該缺陷影響的面積也會(huì)增大。目前基平面位錯(cuò)密度基本控制在 200cm-2 左右。而螺旋位錯(cuò)、刃位錯(cuò)截至目前發(fā)現(xiàn)對(duì)器件影響較小，只發(fā)現(xiàn)局部減小雙極型器件的載流子壽命的現(xiàn)象，目前該類(lèi)缺陷密度分別在 200~500cm-2 以及 300~1000cm-2左右。而其他的一些如三角形缺陷、胡蘿卜缺陷以及顆粒引入的缺陷(down-fall)會(huì)引入堆垛造成漏電流的增大以及阻斷電壓的降低，但此類(lèi)缺陷密度較低在 0.1cm-2 左右。如今 SiC 材料對(duì)缺陷的研究仍然處于起步階段，一方面缺陷影響器件性能的機(jī)理尚需研究；另一方面從根本上解決缺陷形成主要有

 

兩種方案，一是在生長(zhǎng)襯底過(guò)程中避免上述缺陷形成，二是通過(guò)調(diào)整外延的工藝，避免外延工藝受到底部襯底的干擾。兩種方案都處于研究的起步階段，還需經(jīng)歷大量的工藝實(shí)驗(yàn)和測(cè)試驗(yàn)證。

 

 

MOSFET 器件柵氧的質(zhì)量成為限制其應(yīng)用的瓶頸。高溫狀態(tài)下，柵氧界面態(tài)會(huì)俘獲/釋放載流子，影響器件穩(wěn)定性和可靠性，而評(píng)價(jià)柵氧是否能長(zhǎng)期可靠地工作，最好的方式就是在高溫環(huán)境下采用TDDB(time dependent dielectric breakdown)測(cè)試器件的壽命。1999 年 CREE 公司 Lipkin 以及 Palmour測(cè)試柵氧結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度為 350℃并且施加6MV/cm 電場(chǎng)的情況下，柵氧的壽命只有 1000s。

 

2008 年，利用 NO/NO2 退火處理氧化層的方式，羅格斯大學(xué)通過(guò) TDDB 測(cè)試發(fā)現(xiàn)在 375℃以及6.4MV/cm 的條件下 63%器件失效的平均時(shí)間為215h。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明柵氧可靠性得到了很大的提高。2006 年，Krishnaswami 通過(guò) 175℃環(huán)境下的TDDB 測(cè)試 2kV SiC DMOSFET，推測(cè)出在 3MV/cm的電場(chǎng)下壽命達(dá)到 100 年。2010 年羅格斯大學(xué)發(fā)現(xiàn)在高場(chǎng)強(qiáng)下氧化層擊穿的模式與普通一般器件正常工作柵氧電場(chǎng)在3MV/cm情況下的擊穿模式不一致，因而采用較低場(chǎng)強(qiáng)，較長(zhǎng)時(shí)間的 TDDB 測(cè)試，器件通過(guò)在 300℃加 6MV/cm 方式發(fā)現(xiàn)器件壽命達(dá)到了 183 天，并且外推出器件在 300℃時(shí)，在 4.3MV/cm 的電場(chǎng)強(qiáng)度下，壽命可達(dá) 100 年。2016 年中科院微電子所提出采用氮?dú)浠旌蠚夥諏?duì)柵氧進(jìn)行處理得到的氧化層擊穿電荷增加至 0.078C/cm2。目前 SiC MOSFET 器件柵氧工藝的水平仍然沒(méi)有達(dá)到 Si MOSFET 器件柵氧工藝的成熟度，阻礙了SiC MOSFET 器件的性能的進(jìn)一步提升和可靠性的提高，未來(lái)還需更多研究工作，探明柵氧界面態(tài)的形成機(jī)理和抑制方法，從而提高 SiC MOSFET 器件的性能與可靠性。

 

 

現(xiàn)在的商業(yè) SiC 管主要集中在 0.9~3.3kV，并出現(xiàn)部分 6.5kV 的產(chǎn)品。然而 10kV 及以上的器件仍然處在研究和技術(shù)儲(chǔ)備階段。主要難點(diǎn)在于：

 

1）襯底的質(zhì)量不夠理想，襯底的缺陷密度水平很大程度上決定了厚外延層的質(zhì)量，目前襯底的缺陷密度仍然有待進(jìn)一步降低；2）厚外延生長(zhǎng)仍然是挑戰(zhàn)，外延生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)引入新的缺陷，外延工藝仍需要進(jìn)一步優(yōu)化降低新引入的缺陷密度，同時(shí)也需要尋找新技術(shù)降低襯底缺陷對(duì)外延質(zhì)量的影響；3）高耐壓器件終端設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，使用場(chǎng)限環(huán)效率較低消耗的面積大，因而需要采用結(jié)終端擴(kuò)展以及斜角等新型終端設(shè)計(jì)，減小面積，使得器件性能得到提升。

 

 

在硅器件中由于超級(jí)結(jié)器件結(jié)構(gòu)的提出，使得器件性能突破了一維的單極型理論極限，性能優(yōu)異。SiC 超級(jí)結(jié)器件也與硅超級(jí)結(jié)器件一樣具備優(yōu)異的特性。制作 SiC 超級(jí)結(jié)器件主要有以下幾種方式：1）溝槽型超級(jí)結(jié)器件，此結(jié)構(gòu)最早由浙江大學(xué)提出并制作肖特基二極管，阻斷電壓達(dá)到1.35kV，比導(dǎo)通電阻為 0.92mΩ.cm 2(去掉襯底電阻為 0.36mΩ.cm 2)。該工藝難點(diǎn)在溝槽刻蝕形貌，以及溝槽的回填。2）溝槽回填型超級(jí)結(jié)器件，此工藝方式由日本先進(jìn)科技產(chǎn)業(yè)研究院提出并制作[74]，該方式對(duì)溝槽刻蝕工藝以及外延回填工藝有較高的要求。該工藝制作的 MOSFET 器件阻斷電壓達(dá)到 7.8kV，比導(dǎo)通電阻僅為 17.8mΩ.cm 2。3）多次注入–外延形成的超級(jí)結(jié)器件，此工藝方式較為復(fù)雜，但避免了在高深寬比溝槽中的外延工藝，只需在水平表面生長(zhǎng)外延。研制的 MOSFET 器件性能達(dá)到 1.62kV，比導(dǎo)通電阻僅為 2.7mΩ.cm 2?？傮w來(lái)看，現(xiàn)有 3 種制作超級(jí)結(jié)器件的工藝，只有浙江大學(xué)的工藝方式不依賴(lài)于外延生長(zhǎng)工藝，但該方式會(huì)犧牲部分器件性能。而日本研究組提出的兩種方式對(duì)外延生長(zhǎng)工藝要求較高，制作的器件性能也更優(yōu)異。針對(duì) SiC 超級(jí)結(jié)器件的研究目前還在起步階段，如何系統(tǒng)揭示 SiC 超級(jí)結(jié)器件和浮空結(jié)器件中漂移區(qū)和終端區(qū)域空間電荷分布方式對(duì)其電場(chǎng)分布的影響機(jī)理和優(yōu)化方法還未探明；如何獲得具有理想形貌的高深寬比高密度 SiC 溝槽還需嘗試；以及如何探明在超級(jí)結(jié)器件深溝槽區(qū)域和浮空結(jié)器件離子注入?yún)^(qū)域外延再生長(zhǎng)過(guò)程中的晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理和缺陷形成機(jī)制還需要進(jìn)行研究。

 

3 結(jié)論

 

本文就 SiC 器件結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史入手，介紹了產(chǎn)業(yè)界器件發(fā)展歷史，并就 SiC 各類(lèi)器件的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)各類(lèi)器件結(jié)構(gòu)和工藝的優(yōu)化進(jìn)行報(bào)道。通過(guò)上述器件類(lèi)型的對(duì)比，在 5~10kV 以下 JFET 和TMOSFET 的靜態(tài)性能較為優(yōu)異，但 JFET 驅(qū)動(dòng)較為復(fù)雜，而 TMOSFET 為較新的技術(shù)，其技術(shù)成熟度相對(duì)較低。另一方面，DMOSFET 靜態(tài)性能相對(duì)較劣，但其技術(shù)成熟度較高。在 5~10kV 以上主要使用 IGBT 和 GTO 器件，IGBT 器件開(kāi)關(guān)速度較快，驅(qū)動(dòng)較為方便。GTO 器件驅(qū)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，但是電流承載及過(guò)流能力強(qiáng)。當(dāng)前，SiC IGBT 和 GTO 器件技術(shù)離產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模使用都還有較大差距，存在較好的潛力和研究?jī)r(jià)值。針對(duì)碳化硅材料的缺陷研究還在起步階段，如何抑制缺陷對(duì)器件尤其是高壓大電流器件生產(chǎn)的良率起到至關(guān)重要的作用。除此之外，碳化硅超級(jí)結(jié)器件技術(shù)有望突破一維單極性器件的性能極限，但是該技術(shù)仍處于起步階段，未來(lái)還需投入更多的研究。

 

可以看見(jiàn)，碳化硅器件的發(fā)展已經(jīng)為電力電子技術(shù)打開(kāi)了一扇更廣闊的大門(mén)，碳化硅器件技術(shù)的逐步發(fā)展將助力于電力電子技術(shù)朝著高頻、高效、高功率密度的方向前進(jìn)。

 

來(lái)源：中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)第40卷 第6期  

 

作者：盛況、任娜、徐弘毅  (浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院)