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(guò)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(kāi)關(guān)阻斷晶體管。然而，這種器件在開(kāi)關(guān)速度上是有限的，如此導(dǎo)致了較高的開(kāi)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(kāi)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(shuō)明SiCMOSFET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(guò)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(kāi)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=+25V，和(b)負(fù)極，VGS=-10V，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(kāi)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(kāi)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

SiCMOSFET有它的一些問(wèn)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(guò)渡區(qū)域，這是第一次觀察到的麻煩預(yù)兆。這樣的過(guò)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(xiě)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(guò)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(méi)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SiCMOSFET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(guò)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(guò)去的兩年里，市售的1200VSiCMOSFET在質(zhì)量方面走過(guò)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SiCMOSFET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MonolithSemiconductor公司的MOS技術(shù)的氧化物壽命超過(guò)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9MV/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4MV/cm(相當(dāng)于VGS=20V)，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(jiàn)溫度依賴性的加速因數(shù)，但是在使用MonolithSemiconductor公司的器件進(jìn)行研究之前，NIST尚未看到SiCMOS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=-10V)和正(VGS=25V)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(méi)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=960V和Tj=175C的條件下，超過(guò)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(méi)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=960V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=1200V時(shí)的漏極泄漏和(b)ID=250μA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(shuō)，根據(jù)我們對(duì)市售的SiCMOSFET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SiCMOSFET。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、80mΩSiCMOSFET進(jìn)行的短路測(cè)試，表明耐受時(shí)間至少為5μs。

圖4：對(duì)1200V、80mΩSiCMOSFET進(jìn)行的雪崩耐久性測(cè)試，表明Ipeak=12.6A和L=20mH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SiCMOSFET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(guò)程，多家SiCMOSFET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YoleDéveloppement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SiCMOSFET活動(dòng)。

Wolfspeed、ROHM、STMicroelectronics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’sDéveloppement2016年的報(bào)告，顯示了SiC模塊開(kāi)發(fā)活動(dòng)的狀態(tài)。我們相信，對(duì)分離封裝的SiCMOSFET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(kāi)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SiCMOSFET商業(yè)前景時(shí)最后一點(diǎn)不可回避的問(wèn)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(shuō)，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SiCMOSFET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、80mΩ器件的價(jià)格下降了超過(guò)百分之八十，即使SiCMOSFET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SiCMOSFET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，SiCMOSFET的價(jià)格將會(huì)繼續(xù)下降。

圖5：不同供應(yīng)商的SiCMOSFET開(kāi)發(fā)活動(dòng)的狀況。

圖6：SiC功率模塊開(kāi)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SiCMOSFET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SiCMOSFET。SiCMOSFET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(guò)硅IGBT，但由于成本抵消的系統(tǒng)層面效益，SiCMOSFET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(guò)40多年的開(kāi)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。