這種顛覆性的功率晶體管在20 世紀(jì) 80 年代早期實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，對(duì)電力電子行業(yè)產(chǎn)生了巨大的積極影響，它實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)、提高了系統(tǒng)效率和全球節(jié)能。事實(shí)上，有估計(jì)顯示，IGBT 在過去 25 年中幫助避免了 75 萬(wàn)億磅的二氧化碳排放。
正如 20 世紀(jì) 80 年代革命性的 IGBT 技術(shù)，如今的寬帶半導(dǎo)體碳化硅(SiC)也越來(lái)越顯示出再次革新電力電子世界的希望。IGBT 為我們帶來(lái)了能夠以較低的通態(tài)(即：較低的導(dǎo)通電阻)損耗以及控制良好的高壓開關(guān)阻斷晶體管。然而，這種器件在開關(guān)速度上是有限的，如此導(dǎo)致了較高的開關(guān)損耗、龐大且昂貴的熱管理以及功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)效率的上限。
SiC 晶體管的出現(xiàn)在相似的通態(tài)損耗(實(shí)際上在輕負(fù)載狀態(tài)下會(huì)更低)以及電壓閉鎖能力的條件下幾乎消除了 IGBT 所具有的開關(guān)損耗，除了降低系統(tǒng)的整體重量和尺寸外，它還帶來(lái)了前所未有的效率提高。
然而，像大多數(shù)顛覆性技術(shù)一樣，商用 SiC 功率器件的發(fā)展也經(jīng)歷了一段時(shí)期的動(dòng)蕩。本文的目的旨在說明 SiC MOSFET 技術(shù)發(fā)展的來(lái)龍去脈，以及這種器件進(jìn)展的簡(jiǎn)史，展示其今天的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和未來(lái)的商業(yè)前景。
早期的碳化硅
盡管與器件相關(guān)的 SiC 材料研究自上世紀(jì) 70 年代以來(lái)一直在進(jìn)行，但 SiC 在功率器件中使用的可能是由 Baliga 在 1989 年正式提出的。Baliga 的品質(zhì)因數(shù)為有抱負(fù)的材料和器件科學(xué)家繼續(xù)推進(jìn) SiC 晶體發(fā)展和器件處理技術(shù)提供了額外的動(dòng)力。
在 20 世紀(jì) 80 年代末，為提高 SiC 基板和六角碳化硅外延的質(zhì)量，世界各地的科研院校都付出了巨大的努力，如日本的京都大學(xué)和工業(yè)技術(shù)院、俄羅斯的約飛研究所、歐洲的埃朗根和林雪平大學(xué)、美國(guó)的紐約大學(xué)石溪分校、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、和普渡大學(xué)等等。技術(shù)改進(jìn)在 90 年代大部分時(shí)間里都在持續(xù)，直到 Infineon(英飛凌)于 2001 年以碳化硅肖特基二極管的形式推出了第一款商業(yè)化器件。
在他們發(fā)布產(chǎn)品之后的幾年里，碳化硅肖特基二極管經(jīng)歷了源于材料質(zhì)量和器件架構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)故障。為提高基板和外延的質(zhì)量，取得了快速而又巨大的進(jìn)步;同時(shí)，采用了一種可以更有效地分布峰值電場(chǎng)的被稱為“勢(shì)壘肖特基結(jié)(JBS)”的二極管構(gòu)架。
2006年，JBS 二極管演化為現(xiàn)在被稱為合并的 p-n 肖特基(MPS)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)保持了最優(yōu)的場(chǎng)分布，但也通過合并真正的少數(shù)載流子注入實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的緩沖能力。今天，碳化硅二極管是那么的可靠，以至于它們比硅功率二極管顯示出更有利的 FIT 率。
MOSFET替代器件
第一款向市場(chǎng)投放的碳化硅功率晶體管是在 2008 年以 1200 伏結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)的形式出現(xiàn)的。SemiSouth 實(shí)驗(yàn)室遵循了 JFET 的方法，因?yàn)楫?dāng)時(shí)，雙極結(jié)晶體管(BJT)和 MOSFET 替代器件存在著被認(rèn)為無(wú)法克服的障礙。
雖然 BJT 有令人印象深刻的每活躍區(qū)域電流的數(shù)據(jù)，但這種器件有三大缺點(diǎn)：
其一，開關(guān) BJT 器件所需的高電流被許多習(xí)慣于使用像 MOSFET 或 IGBT 等電壓控制器件的設(shè)計(jì)者所反對(duì);
其二，BJT 的驅(qū)動(dòng)電流是在一個(gè)具有巨大內(nèi)建電勢(shì)的基射結(jié)上傳導(dǎo)的，從而導(dǎo)致巨大的功率損耗;
其三，由于 BJT 的雙極動(dòng)作，它特別容易受到一種被稱為雙極退化的器件消磨現(xiàn)象的影響。
圖 1：(a) 正極，VGS = +25 V，和 (b) 負(fù)極，VGS = -10 V，對(duì)從三個(gè)不同的晶片批次中抽取的 77 個(gè)器件在 175°C 下進(jìn)行 2300 小時(shí)的高溫柵極偏置(HTGB)壓力測(cè)試 。觀察到在閾值上可忽略不計(jì)的偏差。
另一方面，JFET 的應(yīng)用由于它是一種常開器件的事實(shí)而受到阻礙，這會(huì)嚇跑許多電力電子設(shè)計(jì)師和安規(guī)工程師。當(dāng)然可以圍繞這個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是簡(jiǎn)單性和設(shè)計(jì)精致是工程世界中被低估的美德。SemiSouth 也有一種常關(guān)的 JFET 器件，但事實(shí)證明這種器件很難進(jìn)行批量生產(chǎn)。
今天，USCi 公司提供了一種采用共源共柵配置的與低電壓硅 MOSFET 一同封裝的常開 SiCJFET 器件，成為了許多應(yīng)用的一種精致的解決方案。盡管如此，由于 MOSFET 在控制上與 硅 IGBT 的相似性，但是具有前述的在性能和系統(tǒng)效益方面優(yōu)勢(shì)，MOSFET 一直是碳化硅功率器件的‘圣杯’。
碳化硅 MOSFET 的演變
SiC MOSFET 有它的一些問題，其中大部分與柵氧化層直接相關(guān)。1978 年，科羅拉多州立大學(xué)的研究人員測(cè)量出了純 SiC 和生長(zhǎng)的 SiO2 之間的一個(gè)混亂的過渡區(qū)域，這是第一次觀察到的麻煩預(yù)兆。這樣的過渡區(qū)域被認(rèn)為具有抑制載流子移動(dòng)并導(dǎo)致閾值電壓不穩(wěn)定的高密度的界面狀態(tài)和氧化物陷阱;這在后來(lái)被大量的研究出版物證明的確如此。
20 世紀(jì) 80 年代末和 90 年代，SiC 研究領(lǐng)域的許多人對(duì) SiC-SiO2 系統(tǒng)中的各種界面狀態(tài)的性質(zhì)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。
20 世紀(jì) 90 年代末和 21 世紀(jì)初期的研究使得對(duì)界面狀態(tài)(密度縮寫為 Dit)來(lái)源的理解以及減少這些來(lái)源并減輕它們的負(fù)面影響有了顯著的提高。舉幾個(gè)值得注意的發(fā)現(xiàn)，研究觀察到濕潤(rùn)環(huán)境中的氧化(即，使用水作為氧化劑而不是干燥的氧氣)將 Dit 降低兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)。
此外，研究發(fā)現(xiàn)使用離軸基板將 Dit 降低至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。最后一項(xiàng)也非常重要，一氧化碳中后氧化退火(一種通常成為氮化的方法)的效果在 1997 年首先由 Li 及其同事發(fā)現(xiàn)，可以將 Dit 降低到非常低的水平。這一發(fā)現(xiàn)隨后又被六七個(gè)其他小組確認(rèn)，Pantelides 的一篇論文很好地對(duì)這一系列研究工作進(jìn)行了總結(jié)。
當(dāng)然，如果不去強(qiáng)調(diào)單晶生長(zhǎng)和晶圓研究界所做的重大貢獻(xiàn)將是非常過份的疏忽，之前我們只有純粹的萊氏片晶，他們?yōu)槲覀儙?lái)了的幾乎沒有設(shè)備損傷性微管的 150 毫米晶圓。
由于有希望的供應(yīng)商正在忙于推進(jìn)商業(yè)化，在接下來(lái)的幾年中關(guān)于 SiC MOSFET 的研究進(jìn)展有所減緩。然而，為了進(jìn)一步提高鉗位電壓穩(wěn)定性以及過程增強(qiáng)和篩選以確?？煽康臇艠O氧化物和器件鑒定的完成，為最終的改進(jìn)已做好了準(zhǔn)備。實(shí)質(zhì)上，SiC 研究界離發(fā)現(xiàn)圣杯越來(lái)越近了。
如今的 MOSFET 質(zhì)量
在過去的兩年里，市售的 1200V SiC MOSFET 在質(zhì)量方面走過了很長(zhǎng)的一段路。溝道遷移率已經(jīng)提高到適當(dāng)?shù)乃?大多數(shù)主流工業(yè)設(shè)計(jì)的氧化物壽命達(dá)到了可接受的水平;閾值電壓變得越來(lái)越穩(wěn)定。
從商業(yè)角度來(lái)看同樣重要的是，多家供應(yīng)商已經(jīng)迎來(lái)了這些里程碑，下一節(jié)將對(duì)其重要性進(jìn)行論述。在這里，我們將證實(shí)今天的 SiC MOSFET 質(zhì)量的要求，包括長(zhǎng)期可靠性、參數(shù)穩(wěn)定性和器件耐用性。
采用加速的時(shí)間依賴性介質(zhì)擊穿(TDDB)技術(shù)，NIST 的研究人員預(yù)測(cè)出 Monolith Semiconductor 公司的 MOS 技術(shù)的氧化物壽命超過 100 年，即使實(shí)在高于 200 攝氏度的結(jié)溫下也是如此。
NIST 的研究工作使用了在氧化物上外加電場(chǎng)(大于 9 MV/cm)和結(jié)溫(高達(dá) 300 °C)的壽命加速因數(shù);作為參考，在實(shí)際應(yīng)用中的氧化物電場(chǎng)約為 4 MV/cm(相當(dāng)于 VGS = 20 V)，并且工作中的結(jié)溫通常低于 175 攝氏度。
值得注意的是，雖然在硅 MOS 中常見溫度依賴性的加速因數(shù)，但是在使用 Monolith Semiconductor 公司的器件進(jìn)行研究之前，NIST尚未看到 SiC MOS 有這種情況。然后，閾值電壓穩(wěn)定性也得到了令人信服的證明，如圖 1 所示。在 175 攝氏度結(jié)溫和低于負(fù)(VGS = -10 V)和正(VGS = 25 V)柵極電壓的條件下進(jìn)行了高溫柵偏置測(cè)試(HTGB)。根據(jù) JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)三個(gè)不同晶圓批次的 77 只器件進(jìn)行了測(cè)試，并沒有觀察到顯著的變化。
證明長(zhǎng)期穩(wěn)定性的另一個(gè)參數(shù)是 MOSFET 的阻斷電壓和斷態(tài)漏電。圖 2 顯示的是高溫反向偏置(HTRB)測(cè)試數(shù)據(jù)。
在 VDS = 960 V 和 Tj = 175 C 的條件下，超過八十個(gè)樣品被施加 1000 小時(shí)應(yīng)力，后應(yīng)力測(cè)量結(jié)果顯示漏極漏電和阻斷電壓上沒有變化。關(guān)于器件的耐用性，圖 3 和圖 4 所示的初步測(cè)量結(jié)果顯示出至少 5 微秒的短路耐受時(shí)間和 1 焦的雪崩能量。
圖 2：在 VDS = 960 V 和 Tj = 175 °C 的條件下 82 個(gè)樣品施加 1000 小時(shí)應(yīng)力后的高溫反向偏置測(cè)試數(shù)據(jù)，表明在 (a)VDS = 1200 V 時(shí)的漏極泄漏和(b)ID = 250 μA 時(shí)的阻斷電壓無(wú)變化。
雖然我們無(wú)法證明其他制造商產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性或耐用性，但是我們可以說，根據(jù)我們對(duì)市售的 SiC MOSFET 的評(píng)估，如今市場(chǎng)上似乎有多家供應(yīng)商能夠供應(yīng)生產(chǎn)水平量的 SiC MOSFET。這些器件似乎具有可接受的可靠性和參數(shù)穩(wěn)定性，這必定會(huì)激勵(lì)主流的商業(yè)應(yīng)用。
圖 3：在 600V 直流鏈路和 VGS = 20V 的條件下對(duì) 1200V、80 mΩSiC MOSFET 進(jìn)行的短路測(cè)試，表明耐受時(shí)間至少為 5 μs。
圖 4：對(duì) 1200V、80 mΩ SiC MOSFET進(jìn)行的雪崩耐久性測(cè)試，表明 Ipeak = 12.6 A 和 L = 20 mH的器件安全吸收的能量為 1.4 焦。
商業(yè)前景
除了質(zhì)量的改善外，近幾年來(lái)，商業(yè)化進(jìn)程取得了巨大的進(jìn)步。除了創(chuàng)造有利于供應(yīng)商和用戶的競(jìng)爭(zhēng)格局之外，有多家 SiC MOSFET 供應(yīng)商可以滿足對(duì)第二供應(yīng)商的擔(dān)憂。如前所述，鑒于器件的漫長(zhǎng)演進(jìn)過程，多家 SiC MOSFET 供應(yīng)商擁有足夠可靠的器件的事實(shí)是一次巨大的進(jìn)步。
經(jīng)許可轉(zhuǎn)自 Yole Développement 的《2016 功率 SiC》報(bào)告的圖 5，顯示出截至 2016 年 7 月各供應(yīng)商的 SiC MOSFET 活動(dòng)。
Wolfspeed、ROHM、ST Microelectronics 和 Microsemi 均推出了市售的零部件;業(yè)界很快能夠看到來(lái)自 Littelfuse 和英飛凌的產(chǎn)品。多晶片功率模塊也是 SiC 領(lǐng)域客戶和供應(yīng)商之間的一個(gè)熱門話題。
圖 6，同樣轉(zhuǎn)自 Yole’sDéveloppement 2016 年的報(bào)告，顯示了 SiC 模塊開發(fā)活動(dòng)的狀態(tài)。我們相信，對(duì)分離封裝的 SiC MOSFET 仍然存在大量的機(jī)會(huì)，因?yàn)榭刂坪凸β孰娐返淖罴巡季謱?shí)踐可以很容易地將分離解決方案的適用性擴(kuò)展到幾十千瓦。更高的功率水平和簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的動(dòng)機(jī)將推動(dòng) SiC 模塊的開發(fā)工作，但是從封裝、控制電路和周圍的功率組件中優(yōu)化寄生電感的重要性不能被夸大。
當(dāng)談到 SiC MOSFET 商業(yè)前景時(shí)最后一點(diǎn)不可回避的問題是價(jià)格。我們關(guān)于價(jià)格侵蝕的看法是有利的，主要是我們的方法的兩個(gè)方面：首先，我們的器件是在一個(gè)汽車級(jí)的硅 CMOS 工廠中制造的;其次，這種工藝采用的是 150 毫米晶圓。在另一項(xiàng)研究工作中我們更詳細(xì)地解釋了這一點(diǎn)，然而，可以簡(jiǎn)單地說，利用現(xiàn)有的硅 CMOS 工廠的核心優(yōu)勢(shì)是缺乏資本支出和優(yōu)化經(jīng)營(yíng)費(fèi)用(這兩者都會(huì)被傳遞到最終客戶)。
此外，采用 150 毫米晶圓進(jìn)行制造產(chǎn)出的器件要比 100 毫米晶圓多出兩倍，這大大影響了每個(gè)模具的成本。根據(jù)在 Digi-Key 公司進(jìn)行的一項(xiàng)市售 SiC MOSFET 調(diào)查，圖 7 中給出了一些關(guān)于價(jià)格的預(yù)示。
例如，自從六年前在 Digi-Key 公司的首次公告，TO-247 封裝的 1200V、80 mΩ器件的價(jià)格下降了超過百分之八十，即使 SiC MOSFET 仍然比類似的硅 IGBT 貴兩到三倍。在今天的價(jià)格水平上，相比較硅 IGBT，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)看到了使用 SiC MOSFET 所帶來(lái)的巨大的系統(tǒng)層面的價(jià)格效益，而且我們預(yù)計(jì)，隨著 150 毫米晶圓的規(guī)模經(jīng)濟(jì)形成，SiC MOSFET 的價(jià)格將會(huì)繼續(xù)下降。
圖 5：不同供應(yīng)商的 SiC MOSFET 開發(fā)活動(dòng)的狀況。
圖 6：SiC 功率模塊開發(fā)活動(dòng)的狀況。藍(lán)色圓圈表示只有 SiC 器件的模塊，而橙色圓圈表示使用硅晶體管和 SiC 二極管的模塊。
圖 7：在 Digi-Key 公司【】看到的關(guān)于市售 SiC MOSFET 的價(jià)格調(diào)查。
結(jié)論
上個(gè)世紀(jì) 80 年代，硅IGBT 對(duì)電力電子行業(yè)產(chǎn)生了巨大的積極影響，從那時(shí)起，它一直是這個(gè)行業(yè)的主力。下一項(xiàng)革命性的技術(shù)將是 SiC MOSFET。SiC MOSFET 今天的發(fā)展?fàn)顩r指出了主要的商業(yè)障礙(包括價(jià)格、可靠性、耐用性和供應(yīng)商的多樣化)的解決方案。
盡管價(jià)格溢價(jià)超過硅 IGBT，但由于成本抵消的系統(tǒng)層面效益，SiC MOSFET 已經(jīng)取得了成功;隨著材料成本的下降，這種技術(shù)的市場(chǎng)份額在未來(lái)幾年將大幅增加。經(jīng)過 40 多年的開發(fā)工作，SiCMOSFET 終于似乎做好了廣泛的商業(yè)成功的準(zhǔn)備，并在綠色能源運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮出重要的角色。
（轉(zhuǎn)載）
