SiC MOSFET发展趋势与解决方案

毫无疑问，所谓的第三代宽禁带半导体碳化硅正在发挥其众所周知的潜力，在过去五年中，汽车行业一直是该材料的公开试验场。基于 SiC 的传动系统逆变器——将来自电池侧的直流电转换为电机侧所需的交流电的功率转换器——比基于 Si IGBT 的祖先更小、更轻且更高效。 

然而，电气化议程不会以汽车开始和结束。更广泛的运输应用将很快出现，包括卡车和公共汽车、船舶和航运、火车的进一步电气化，甚至飞机。在供应方面，并网太阳能发电系统和通过高压直流 (HVDC) 链路传输能源对于低碳能源的生产和分配也至关重要。 

这些应用的一个共同主题是更高系统电压的潜在作用，因此，更高电压的功率设备。在 EV 中，从 400 V 转变为 800 V 的好处主要是可能的更快充电速率。在太阳能逆变器中，从 1,000-V 到 1,500-V 系统的持续转变正在减少光伏串、逆变器、电缆和直流接线盒的数量，所有这些都可以提高效率并节省成本。在标称电压为数百千伏的千兆瓦 HVDC 装置中，较高的单个设备额定值会减少多级堆栈中所需的设备数量，从而减少维护和整体系统尺寸。 

SiC 功率器件有可能成为这些领域的关键推动力。然而，今天，市场上可用的 SiC 器件范围非常窄，从 650 V 到 1,200 V，只有少数 1,700-V 器件可用，虽然 3,300 V 在技术上看起来触手可及，但只有GeneSiC提供器件在这个电压水平。 

当然，这种对所提供汽车奖品的单一关注是可以理解的。争夺该行业市场份额的竞赛导致公司努力提高产能、采用 200 毫米晶圆并提高产量。这为打开高压市场所需的大量研发活动留下了很少的空间，相比之下，高压市场相对较小。 

图 1：当前的 Si 和 SiC 器件格局，以及对 SiC 未来潜在市场的预测 

值得庆幸的是，研究部门一直在努力工作，已经设计、制造和试用了许多更高电压的 SiC 技术演示器，让我们很好地了解了 SiC 超结 (SJ) MOSFET、IGBT 和晶闸管的影响。可能对这些高压应用。 

电压上升，而不是下降？

650 V 仍将是 SiC MOSFET 的底线，这是一个相当安全的预测。图 2 显示了单极极限图，它描绘了当今的商用 SiC 器件，并绘制了它们的电阻与阻断电压的关系图。这揭示了该技术的局限性。随着电压阻断漂移区在 650 V 时的厚度减小到仅 5 µm，器件的电阻已经减小到这样的程度，即来自 SiC 沟道区和衬底的固定电阻占主导地位，从而阻止了进一步缩小尺寸。反抗。虽然在未来几代中改进 650-V MOSFET 似乎有相当大的余地，但很难将这些固定电阻降低到足以支持商用 300-V SiC MOSFET 的程度。 

在这些低电压下，没有通道的器件（例如Qorvo/UnitedSiC 的级联 JFET）具有 R DS(on)优势：一些晶圆变薄，允许实现非常低电阻的 SiC FET。实际上，考虑到使用工业兼容方法可以进一步提高 SiC 沟道迁移率的实际限制，SiC JFET 可能是唯一可以实现低于 600 V 额定电压的器件。

图 2：当前 650V 和 1,200V SiC 器件情况，绘制在单极极限图上 

扩大单极 SiC MOSFET

图 2 中表示当前 SiC 技术限制的点划线暗示的是，虽然 SiC 在 650 V 和 1,200 V 时是一种很好的技术，但它有可能在更高的电压下变得更好。由于漂移区被缩放到 30 µm 以支持额定电压为 3.3 kV 的器件，其电阻超过了基板和通道的电阻，从而使器件更接近技术极限。因此，在未来，经过磨练以达到当今 SiC 器件质量的高压 SiC MOSFET 在高达 10 kV 的电压下将比现有的 Si 技术具有更大的优势。 

从技术上讲，几乎没有阻止 SiC MOSFET 技术的规模化。3.3 kV 器件在学术文献中已经相当成熟，1并且已经存在制造高达约 10 kV 的优质外延层所需的技术。 

然而，使用PGC Consultancy 的 SiC 裸片成本模型进行建模时，SiC 裸片的经济性会在这些较高电压下发生变化。首先，所需的电压越高，支持它的漂移区必须越宽，因此，外延成本就越高。其效果如图 3 所示，其中外延成本超过了衬底，成为 60-µm、6.5-kV 器件的最大加工成本。 

图 3：将 SiC MOSFET 扩展到 15 kV 时的预计成本。（不包括分拣/鉴定后的芯片良率。外延良率以 100-A 芯片和 0.2 个缺陷/cm 2为模型。） 

虽然多晶片外延工具的创新可能会降低这一成本，但由厚漂移区域的电阻引起的第二个成本问题是不可避免的。电压等级的每一步都需要一个漂移区，该漂移区比以前的等级更厚且掺杂更低。随着电压加倍，电阻将增加约 5.5 倍。2为了抵消这一点，并保持给定的电流/电阻额定值（图 3 中的 100-A 裸片），裸片尺寸必须按比例增加。然而，扩大管芯对良率产生复合影响，从而对成本产生影响。每个晶圆生产的管芯数量较少，而外延缺陷所抵消的比例要高得多——即使可以保持低缺陷密度（图 3 中 为 0.2 个缺陷/cm 2 ）。

这些影响的结果如图 3 所示，体现在更高电压下不断上升的外延良率成本和飞涨的裸片成本（15 kV 时达到 650-V 裸片的 75 倍）。 

回想起来，SiC MOSFET 看起来是一个可行的方案，最高可达 6.5 kV，甚至可能达到 10 kV，但与这些设备相关的成本可能会阻碍更高电压的实施。 

双极器件是解决方案

当然，历史会重演，降低漂移区电阻以及芯片尺寸的关键是采用双极解决方案、IGBT 和晶闸管，如图 4 所示。双极器件的折衷方案是接受较慢的与单极 MOSFET 相比，开关能力和开关损耗更高，以换取电导调制的低电阻漂移区。对于任何需要 10kV 以上 SiC 器件的应用来说，这种权衡不太可能成为问题；以 50/60 Hz 运行的 HVDC 转换器几乎不需要快速、低损耗的开关。事实上，他们已经在使用 Si IGBT 和晶闸管。 

图 4：本文讨论的功率器件的横截面 

然而，这些器件需要与当今的 SiC MOSFET 相比有许多技术飞跃。第一个问题是传统的 N 沟道 IGBT 和 P 基极晶闸管都需要高度 P 型掺杂 (P+) 的集电极区。由于在晶种升华过程中将 P 掺杂剂铝掺入基板中的挑战，P+ 基板不可用。3如上所述，目前 SiC 材料供应商几乎没有动力解决这个问题，因此必须找到其他解决方案。这通常涉及在 N+ 衬底上生长所有器件层，然后磨掉原始晶圆——使用与减薄 MOSFET 衬底相同的工艺。使用这种技术，已经展示了许多 IGBT — 在 6.5 kV、4、15 kV、5和 27.5 kV 6 — 以及 7.6 kV 7和 20 kV 的晶闸管。8

第二个问题是 SiC 的载流子寿命，该值必须最大化以促进电导率调制。在硅制造领域，通常的问题是材料太纯净以至于需要引入缺陷以缩短 寿命，从而降低开关损耗。在 SiC 中，情况正好相反。在外延过程中引入了称为碳空位的缺陷，导致寿命非常短（1-2 µs）。因此，在 IGBT/晶闸管制造之前，寿命延长工艺（一种长氧化工艺）是最广泛用于驱动碳进入漂移区以填充空位并将寿命延长至 10-20 µs 的工艺。 

假设这两种工艺都可以被大规模掌握和实施，那么高质量的双极器件在 SiC 中是可能的，这可以将给定电压下的芯片面积减少多达 10 倍。直到现在还没有提到，PIN 二极管可能是第一个也是最容易推向市场的高压 SiC 器件，因为它们可以直接在 N+ 衬底上生产。 

介于两者之间？

SJ 器件是降低 SiC MOSFET 电阻的另一种潜在方法，它是全单极 MOSFET 和 IGBT 之间的中间地。然而，熟悉的深注入工艺，用于在 Si 中制造窄 N 型和 P 型柱，9,10在 SiC 中是不可能的，它的高原子密度导致非常浅的注入。因此，已经设计了替代制造方法来创建所需的垂直 pn 柱，包括在 SiC 中蚀刻沟槽并用外延法重新填充它们。另一种方法2看起来是注入到沟槽侧壁中。这些方法仍处于起步阶段，仍有待克服的技术挑战，但它们证明了 SiC SJ 器件是可能的。 

结论

与其他宽带隙材料相比，SiC 的巨大优势在于它的衬底是独立的，并且它具有原生 SiO 2氧化物。这使得复制所有众所周知的硅功率器件拓扑结构成为可能，所有这些都在电压上移动。电动汽车的繁荣是启动 SiC 行业、鼓励市场竞争以及以更低的价格和更大的规模要求更高质量的材料所需的催化剂。然而，这也是扩大 SiC 电压范围是赢得 650 和 1,200 V 市场份额之后的第二要务的原因。然而，随着时间的推移，SiC 将影响电网、可再生能源和交通运输行业。事实上，许多关于如何生产下一代 SiC 器件的解决方案已经很清楚了。在商业上实现它们只是时间问题。 

　　审核编辑：汤梓红