發布日期：2022-10-09 點擊率：115
這種顛覆性的功率晶體管在20 世紀 80 年代早期實現商業化，對電力電子行業產生了巨大的積極影響，它實現了創新的轉換器設計、提高了系統效率和全球節能。事實上，有估計顯示，IGBT 在過去 25 年中幫助避免了 75 萬億磅的二氧化碳排放。
正如 20 世紀 80 年代革命性的 IGBT 技術，如今的寬帶半導體碳化硅(SiC)也越來越顯示出再次革新電力電子世界的希望。IGBT 為我們帶來了能夠以較低的通態(即：較低的導通電阻)損耗以及控制良好的高壓開關阻斷晶體管。然而，這種器件在開關速度上是有限的，如此導致了較高的開關損耗、龐大且昂貴的熱管理以及功率轉換系統效率的上限。
SiC 晶體管的出現在相似的通態損耗(實際上在輕負載狀態下會更低)以及電壓閉鎖能力的條件下幾乎消除了 IGBT 所具有的開關損耗，除了降低系統的整體重量和尺寸外，它還帶來了前所未有的效率提高。
然而，像大多數顛覆性技術一樣，商用 SiC 功率器件的發展也經歷了一段時期的動蕩。本文的目的旨在說明 SiC MOSFET 技術發展的來龍去脈，以及這種器件進展的簡史，展示其今天的技術優勢和未來的商業前景。
早期的碳化硅
盡管與器件相關的 SiC 材料研究自上世紀 70 年代以來一直在進行，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 的品質因數為有抱負的材料和器件科學家繼續推進 SiC 晶體發展和器件處理技術提供了額外的動力。
在 20 世紀 80 年代末，為提高 SiC 基板和六角碳化硅外延的質量，世界各地的科研院校都付出了巨大的努力，如日本的京都大學和工業技術院、俄羅斯的約飛研究所、歐洲的埃朗根和林雪平大學、美國的紐約大學石溪分校、卡內基梅隆大學、和普渡大學等等。技術改進在 90 年代大部分時間里都在持續，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化器件。
在他們發布產品之后的幾年里，碳化硅肖特基二極管經歷了源于材料質量和器件架構的現場故障。為提高基板和外延的質量，取得了快速而又巨大的進步;同時，采用了一種可以更有效地分布峰值電場的被稱為“勢壘肖特基結(JBS)”的二極管構架。
2006年，JBS 二極管演化為現在被稱為合并的 p-n 肖特基(MPS)結構，這種結構保持了最優的場分布，但也通過合并真正的少數載流子注入實現了增強的緩沖能力。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
第一款向市場投放的碳化硅功率晶體管是在 2008 年以 1200 伏結場效應晶體管(JFET)的形式出現的。SemiSouth 實驗室遵循了 JFET 的方法，因為當時，雙極結晶體管(BJT)和 MOSFET 替代器件存在著被認為無法克服的障礙。
雖然 BJT 有令人印象深刻的每活躍區域電流的數據，但這種器件有三大缺點：
其一，開關 BJT 器件所需的高電流被許多習慣于使用像 MOSFET 或 IGBT 等電壓控制器件的設計者所反對;
其二，BJT 的驅動電流是在一個具有巨大內建電勢的基射結上傳導的，從而導致巨大的功率損耗;
其三，由于 BJT 的雙極動作，它特別容易受到一種被稱為雙極退化的器件消磨現象的影響。
圖 1：(a) 正極，VGS = +25 V，和 (b) 負極，VGS = -10 V，對從三個不同的晶片批次中抽取的 77 個器件在 175°C 下進行 2300 小時的高溫柵極偏置(HTGB)壓力測試 。觀察到在閾值上可忽略不計的偏差。
另一方面，JFET 的應用由于它是一種常開器件的事實而受到阻礙，這會嚇跑許多電力電子設計師和安規工程師。當然可以圍繞這個方面進行設計，但是簡單性和設計精致是工程世界中被低估的美德。SemiSouth 也有一種常關的 JFET 器件，但事實證明這種器件很難進行批量生產。
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效益方面優勢，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。1978 年，科羅拉多州立大學的研究人員測量出了純 SiC 和生長的 SiO2 之間的一個混亂的過渡區域，這是第一次觀察到的麻煩預兆。這樣的過渡區域被認為具有抑制載流子移動并導致閾值電壓不穩定的高密度的界面狀態和氧化物陷阱;這在后來被大量的研究出版物證明的確如此。
20 世紀 80 年代末和 90 年代，SiC 研究領域的許多人對 SiC-SiO2 系統中的各種界面狀態的性質進行了進一步的研究。
20 世紀 90 年代末和 21 世紀初期的研究使得對界面狀態(密度縮寫為 Dit)來源的理解以及減少這些來源并減輕它們的負面影響有了顯著的提高。舉幾個值得注意的發現，研究觀察到濕潤環境中的氧化(即，使用水作為氧化劑而不是干燥的氧氣)將 Dit 降低兩到三個數量級。
此外，研究發現使用離軸基板將 Dit 降低至少一個數量級。最后一項也非常重要，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 及其同事發現，可以將 Dit 降低到非常低的水平。這一發現隨后又被六七個其他小組確認，Pantelides 的一篇論文很好地對這一系列研究工作進行了總結。
當然，如果不去強調單晶生長和晶圓研究界所做的重大貢獻將是非常過份的疏忽，之前我們只有純粹的萊氏片晶，他們為我們帶來了的幾乎沒有設備損傷性微管的 150 毫米晶圓。
由于有希望的供應商正在忙于推進商業化，在接下來的幾年中關于 SiC MOSFET 的研究進展有所減緩。然而，為了進一步提高鉗位電壓穩定性以及過程增強和篩選以確?？煽康臇艠O氧化物和器件鑒定的完成，為最終的改進已做好了準備。實質上，SiC 研究界離發現圣杯越來越近了。
如今的 MOSFET 質量
在過去的兩年里，市售的 1200V SiC MOSFET 在質量方面走過了很長的一段路。溝道遷移率已經提高到適當的水平;大多數主流工業設計的氧化物壽命達到了可接受的水平;閾值電壓變得越來越穩定。
從商業角度來看同樣重要的是，多家供應商已經迎來了這些里程碑，下一節將對其重要性進行論述。在這里，我們將證實今天的 SiC MOSFET 質量的要求，包括長期可靠性、參數穩定性和器件耐用性。
采用加速的時間依賴性介質擊穿(TDDB)技術，NIST 的研究人員預測出 Monolith Semiconductor 公司的 MOS 技術的氧化物壽命超過 100 年，即使實在高于 200 攝氏度的結溫下也是如此。
NIST 的研究工作使用了在氧化物上外加電場(大于 9 MV/cm)和結溫(高達 300 °C)的壽命加速因數;作為參考，在實際應用中的氧化物電場約為 4 MV/cm(相當于 VGS = 20 V)，并且工作中的結溫通常低于 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，但是在使用 Monolith Semiconductor 公司的器件進行研究之前，NIST尚未看到 SiC MOS 有這種情況。然后，閾值電壓穩定性也得到了令人信服的證明，如圖 1 所示。在 175 攝氏度結溫和低于負(VGS = -10 V)和正(VGS = 25 V)柵極電壓的條件下進行了高溫柵偏置測試(HTGB)。根據 JEDEC 標準，對三個不同晶圓批次的 77 只器件進行了測試，并沒有觀察到顯著的變化。
證明長期穩定性的另一個參數是 MOSFET 的阻斷電壓和斷態漏電。圖 2 顯示的是高溫反向偏置(HTRB)測試數據。
在 VDS = 960 V 和 Tj = 175 C 的條件下，超過八十個樣品被施加 1000 小時應力，后應力測量結果顯示漏極漏電和阻斷電壓上沒有變化。關于器件的耐用性，圖 3 和圖 4 所示的初步測量結果顯示出至少 5 微秒的短路耐受時間和 1 焦的雪崩能量。
圖 2：在 VDS = 960 V 和 Tj = 175 °C 的條件下 82 個樣品施加 1000 小時應力后的高溫反向偏置測試數據，表明在 (a)VDS = 1200 V 時的漏極泄漏和(b)ID = 250 μA 時的阻斷電壓無變化。
雖然我們無法證明其他制造商產品的長期可靠性或耐用性，但是我們可以說，根據我們對市售的 SiC MOSFET 的評估，如今市場上似乎有多家供應商能夠供應生產水平量的 SiC MOSFET。這些器件似乎具有可接受的可靠性和參數穩定性，這必定會激勵主流的商業應用。
圖 3：在 600V 直流鏈路和 VGS = 20V 的條件下對 1200V、80 mΩSiC MOSFET 進行的短路測試，表明耐受時間至少為 5 μs。
圖 4：對 1200V、80 mΩ SiC MOSFET進行的雪崩耐久性測試，表明 Ipeak = 12.6 A 和 L = 20 mH的器件安全吸收的能量為 1.4 焦。
商業前景
除了質量的改善外，近幾年來，商業化進程取得了巨大的進步。除了創造有利于供應商和用戶的競爭格局之外，有多家 SiC MOSFET 供應商可以滿足對第二供應商的擔憂。如前所述，鑒于器件的漫長演進過程，多家 SiC MOSFET 供應商擁有足夠可靠的器件的事實是一次巨大的進步。
經許可轉自 Yole Développement 的《2016 功率 SiC》報告的圖 5，顯示出截至 2016 年 7 月各供應商的 SiC MOSFET 活動。
Wolfspeed、ROHM、ST Microelectronics 和 Microsemi 均推出了市售的零部件;業界很快能夠看到來自 Littelfuse 和英飛凌的產品。多晶片功率模塊也是 SiC 領域客戶和供應商之間的一個熱門話題。
圖 6，同樣轉自 Yole’sDéveloppement 2016 年的報告，顯示了 SiC 模塊開發活動的狀態。我們相信，對分離封裝的 SiC MOSFET 仍然存在大量的機會，因為控制和功率電路的最佳布局實踐可以很容易地將分離解決方案的適用性擴展到幾十千瓦。更高的功率水平和簡化系統設計的動機將推動 SiC 模塊的開發工作，但是從封裝、控制電路和周圍的功率組件中優化寄生電感的重要性不能被夸大。
當談到 SiC MOSFET 商業前景時最后一點不可回避的問題是價格。我們關于價格侵蝕的看法是有利的，主要是我們的方法的兩個方面：首先，我們的器件是在一個汽車級的硅 CMOS 工廠中制造的;其次，這種工藝采用的是 150 毫米晶圓。在另一項研究工作中我們更詳細地解釋了這一點，然而，可以簡單地說，利用現有的硅 CMOS 工廠的核心優勢是缺乏資本支出和優化經營費用(這兩者都會被傳遞到最終客戶)。
此外，采用 150 毫米晶圓進行制造產出的器件要比 100 毫米晶圓多出兩倍，這大大影響了每個模具的成本。根據在 Digi-Key 公司進行的一項市售 SiC MOSFET 調查，圖 7 中給出了一些關于價格的預示。
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。在今天的價格水平上，相比較硅 IGBT，設計人員已經看到了使用 SiC MOSFET 所帶來的巨大的系統層面的價格效益，而且我們預計，隨著 150 毫米晶圓的規模經濟形成，SiC MOSFET 的價格將會繼續下降。
圖 5：不同供應商的 SiC MOSFET 開發活動的狀況。
圖 6：SiC 功率模塊開發活動的狀況。藍色圓圈表示只有 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【】看到的關于市售 SiC MOSFET 的價格調查。
結論
上個世紀 80 年代，硅IGBT 對電力電子行業產生了巨大的積極影響，從那時起，它一直是這個行業的主力。下一項革命性的技術將是 SiC MOSFET。SiC MOSFET 今天的發展狀況指出了主要的商業障礙(包括價格、可靠性、耐用性和供應商的多樣化)的解決方案。
盡管價格溢價超過硅 IGBT，但由于成本抵消的系統層面效益，SiC MOSFET 已經取得了成功;隨著材料成本的下降，這種技術的市場份額在未來幾年將大幅增加。經過 40 多年的開發工作，SiCMOSFET 終于似乎做好了廣泛的商業成功的準備，并在綠色能源運動中發揮出重要的角色。
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