毫無疑問，所謂的第三代寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅正在發(fā)揮其眾所周知的潛力，在過去五年中，汽車行業(yè)一直是該材料的公開試驗場?；?SiC 的傳動系統(tǒng)逆變器——將來自電池側(cè)的直流電轉(zhuǎn)換為電機側(cè)所需的交流電的功率轉(zhuǎn)換器——比基于 Si IGBT 的祖先更小、更輕且更高效。?

然而，電氣化議程不會以汽車開始和結(jié)束。更廣泛的運輸應(yīng)用將很快出現(xiàn)，包括卡車和公共汽車、船舶和航運、火車的進一步電氣化，甚至飛機。在供應(yīng)方面，并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)和通過高壓直流 (HVDC) 鏈路傳輸能源對于低碳能源的生產(chǎn)和分配也至關(guān)重要。?

這些應(yīng)用的一個共同主題是更高系統(tǒng)電壓的潛在作用，因此，更高電壓的功率設(shè)備。在 EV 中，從 400 V 轉(zhuǎn)變?yōu)?800 V 的好處主要是可能的更快充電速率。在太陽能逆變器中，從 1,000-V 到 1,500-V 系統(tǒng)的持續(xù)轉(zhuǎn)變正在減少光伏串、逆變器、電纜和直流接線盒的數(shù)量，所有這些都可以提高效率并節(jié)省成本。在標稱電壓為數(shù)百千伏的千兆瓦 HVDC 裝置中，較高的單個設(shè)備額定值會減少多級堆棧中所需的設(shè)備數(shù)量，從而減少維護和整體系統(tǒng)尺寸。?

SiC 功率器件有可能成為這些領(lǐng)域的關(guān)鍵推動力。然而，今天，市場上可用的 SiC 器件范圍非常窄，從 650 V 到 1,200 V，只有少數(shù) 1,700-V 器件可用，雖然 3,300 V 在技術(shù)上看起來觸手可及，但只有GeneSiC提供器件在這個電壓水平。?

當然，這種對所提供汽車獎品的單一關(guān)注是可以理解的。爭奪該行業(yè)市場份額的競賽導(dǎo)致公司努力提高產(chǎn)能、采用 200 毫米晶圓并提高產(chǎn)量。這為打開高壓市場所需的大量研發(fā)活動留下了很少的空間，相比之下，高壓市場相對較小。?

圖 1：當前的 Si 和 SiC 器件格局，以及對 SiC 未來潛在市場的預(yù)測?

值得慶幸的是，研究部門一直在努力工作，已經(jīng)設(shè)計、制造和試用了許多更高電壓的 SiC 技術(shù)演示器，讓我們很好地了解了 SiC 超結(jié) (SJ) MOSFET、IGBT 和晶閘管的影響?？赡軐@些高壓應(yīng)用。?

電壓上升，而不是下降？

650 V 仍將是 SiC MOSFET 的底線，這是一個相當安全的預(yù)測。圖 2 顯示了單極極限圖，它描繪了當今的商用 SiC 器件，并繪制了它們的電阻與阻斷電壓的關(guān)系圖。這揭示了該技術(shù)的局限性。隨著電壓阻斷漂移區(qū)在 650 V 時的厚度減小到僅 5 μm，器件的電阻已經(jīng)減小到這樣的程度，即來自 SiC 溝道區(qū)和襯底的固定電阻占主導(dǎo)地位，從而阻止了進一步縮小尺寸。反抗。雖然在未來幾代中改進 650-V MOSFET 似乎有相當大的余地，但很難將這些固定電阻降低到足以支持商用 300-V SiC MOSFET 的程度。?

在這些低電壓下，沒有通道的器件（例如Qorvo/UnitedSiC 的級聯(lián) JFET）具有 R DS(on)優(yōu)勢：一些晶圓變薄，允許實現(xiàn)非常低電阻的 SiC FET。實際上，考慮到使用工業(yè)兼容方法可以進一步提高 SiC 溝道遷移率的實際限制，SiC JFET 可能是唯一可以實現(xiàn)低于 600 V 額定電壓的器件。

圖 2：當前 650V 和 1,200V SiC 器件情況，繪制在單極極限圖上?

擴大單極 SiC MOSFET

圖 2 中表示當前 SiC 技術(shù)限制的點劃線暗示的是，雖然 SiC 在 650 V 和 1,200 V 時是一種很好的技術(shù)，但它有可能在更高的電壓下變得更好。由于漂移區(qū)被縮放到 30 μm 以支持額定電壓為 3.3 kV 的器件，其電阻超過了基板和通道的電阻，從而使器件更接近技術(shù)極限。因此，在未來，經(jīng)過磨練以達到當今 SiC 器件質(zhì)量的高壓 SiC MOSFET 在高達 10 kV 的電壓下將比現(xiàn)有的 Si 技術(shù)具有更大的優(yōu)勢。?

從技術(shù)上講，幾乎沒有阻止 SiC MOSFET 技術(shù)的規(guī)模化。3.3 kV 器件在學(xué)術(shù)文獻中已經(jīng)相當成熟，1并且已經(jīng)存在制造高達約 10 kV 的優(yōu)質(zhì)外延層所需的技術(shù)。?

然而，使用PGC Consultancy 的 SiC 裸片成本模型進行建模時，SiC 裸片的經(jīng)濟性會在這些較高電壓下發(fā)生變化。首先，所需的電壓越高，支持它的漂移區(qū)必須越寬，因此，外延成本就越高。其效果如圖 3 所示，其中外延成本超過了襯底，成為 60-μm、6.5-kV 器件的最大加工成本。?

圖 3：將 SiC MOSFET 擴展到 15 kV 時的預(yù)計成本。（不包括分揀/鑒定后的芯片良率。外延良率以 100-A 芯片和 0.2 個缺陷/cm 2為模型。）?

雖然多晶片外延工具的創(chuàng)新可能會降低這一成本，但由厚漂移區(qū)域的電阻引起的第二個成本問題是不可避免的。電壓等級的每一步都需要一個漂移區(qū)，該漂移區(qū)比以前的等級更厚且摻雜更低。隨著電壓加倍，電阻將增加約 5.5 倍。2為了抵消這一點，并保持給定的電流/電阻額定值（圖 3 中的 100-A 裸片），裸片尺寸必須按比例增加。然而，擴大管芯對良率產(chǎn)生復(fù)合影響，從而對成本產(chǎn)生影響。每個晶圓生產(chǎn)的管芯數(shù)量較少，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（圖 3 中?為 0.2 個缺陷/cm 2 ）。

這些影響的結(jié)果如圖 3 所示，體現(xiàn)在更高電壓下不斷上升的外延良率成本和飛漲的裸片成本（15 kV 時達到 650-V 裸片的 75 倍）。?

回想起來，SiC MOSFET 看起來是一個可行的方案，最高可達 6.5 kV，甚至可能達到 10 kV，但與這些設(shè)備相關(guān)的成本可能會阻礙更高電壓的實施。?

雙極器件是解決方案

當然，歷史會重演，降低漂移區(qū)電阻以及芯片尺寸的關(guān)鍵是采用雙極解決方案、IGBT 和晶閘管，如圖 4 所示。雙極器件的折衷方案是接受較慢的與單極 MOSFET 相比，開關(guān)能力和開關(guān)損耗更高，以換取電導(dǎo)調(diào)制的低電阻漂移區(qū)。對于任何需要 10kV 以上 SiC 器件的應(yīng)用來說，這種權(quán)衡不太可能成為問題；以 50/60 Hz 運行的 HVDC 轉(zhuǎn)換器幾乎不需要快速、低損耗的開關(guān)。事實上，他們已經(jīng)在使用 Si IGBT 和晶閘管。?

圖 4：本文討論的功率器件的橫截面?

然而，這些器件需要與當今的 SiC MOSFET 相比有許多技術(shù)飛躍。第一個問題是傳統(tǒng)的 N 溝道 IGBT 和 P 基極晶閘管都需要高度 P 型摻雜 (P+) 的集電極區(qū)。由于在晶種升華過程中將 P 摻雜劑鋁摻入基板中的挑戰(zhàn)，P+ 基板不可用。3如上所述，目前 SiC 材料供應(yīng)商幾乎沒有動力解決這個問題，因此必須找到其他解決方案。這通常涉及在 N+ 襯底上生長所有器件層，然后磨掉原始晶圓——使用與減薄 MOSFET 襯底相同的工藝。使用這種技術(shù)，已經(jīng)展示了許多 IGBT — 在 6.5 kV、4、15 kV、5和 27.5 kV 6 — 以及 7.6 kV 7和 20 kV 的晶閘管。8

第二個問題是 SiC 的載流子壽命，該值必須最大化以促進電導(dǎo)率調(diào)制。在硅制造領(lǐng)域，通常的問題是材料太純凈以至于需要引入缺陷以縮短 壽命，從而降低開關(guān)損耗。在 SiC 中，情況正好相反。在外延過程中引入了稱為碳空位的缺陷，導(dǎo)致壽命非常短（1-2 μs）。因此，在 IGBT/晶閘管制造之前，壽命延長工藝（一種長氧化工藝）是最廣泛用于驅(qū)動碳進入漂移區(qū)以填充空位并將壽命延長至 10-20 μs 的工藝。?

假設(shè)這兩種工藝都可以被大規(guī)模掌握和實施，那么高質(zhì)量的雙極器件在 SiC 中是可能的，這可以將給定電壓下的芯片面積減少多達 10 倍。直到現(xiàn)在還沒有提到，PIN 二極管可能是第一個也是最容易推向市場的高壓 SiC 器件，因為它們可以直接在 N+ 襯底上生產(chǎn)。?

介于兩者之間？

SJ 器件是降低 SiC MOSFET 電阻的另一種潛在方法，它是全單極 MOSFET 和 IGBT 之間的中間地。然而，熟悉的深注入工藝，用于在 Si 中制造窄 N 型和 P 型柱，9,10在 SiC 中是不可能的，它的高原子密度導(dǎo)致非常淺的注入。因此，已經(jīng)設(shè)計了替代制造方法來創(chuàng)建所需的垂直 pn 柱，包括在 SiC 中蝕刻溝槽并用外延法重新填充它們。另一種方法2看起來是注入到溝槽側(cè)壁中。這些方法仍處于起步階段，仍有待克服的技術(shù)挑戰(zhàn)，但它們證明了 SiC SJ 器件是可能的。?

結(jié)論

與其他寬帶隙材料相比，SiC 的巨大優(yōu)勢在于它的襯底是獨立的，并且它具有原生 SiO 2氧化物。這使得復(fù)制所有眾所周知的硅功率器件拓撲結(jié)構(gòu)成為可能，所有這些都在電壓上移動。電動汽車的繁榮是啟動 SiC 行業(yè)、鼓勵市場競爭以及以更低的價格和更大的規(guī)模要求更高質(zhì)量的材料所需的催化劑。然而，這也是擴大 SiC 電壓范圍是贏得 650 和 1,200 V 市場份額之后的第二要務(wù)的原因。然而，隨著時間的推移，SiC 將影響電網(wǎng)、可再生能源和交通運輸行業(yè)。事實上，許多關(guān)于如何生產(chǎn)下一代 SiC 器件的解決方案已經(jīng)很清楚了。在商業(yè)上實現(xiàn)它們只是時間問題。?

　　審核編輯：湯梓紅