SiC MOSFET的器件演变与技术优势

　　介绍
　　阅读本文的任何人都不太可能不熟悉绝缘栅双极晶体管（IGBT）。这种破坏性功率晶体管于20世纪80年代初首次商业化，对电力电子行业产生了巨大的积极影响，实现了创新的转换器设计，提高了系统效率，并实现了全球节能。事实上，有人估计的IGBT帮助阻止750000亿磅的CO 2排放量在过去25年。
　　就像二十世纪八十年代的IGBT革命一样，今天宽带隙半导体碳化硅（SiC）再次显示出为电力电子世界带来革命性的希望。IGBT为我们提供了一个同时能够阻止高电压的晶体管，具有低导通状态（即导通）损耗和良好控制的开关。然而，该装置的切换速度有限，这导致高开关损耗，大而昂贵的热管理以及功率转换系统效率的上限。SiC晶体管的出现几乎消除了IGBT的开关损耗，以实现类似的导通损耗（实际上，在轻载时更低）和电压阻断能力，除了降低系统的总重量和尺寸外，还能实现前所未有的效率。
　　然而，与大多数颠覆性技术一样，商用SiC功率器件的发展走过了一条喧嚣的道路。本文旨在将SiC MOSFET的发展置于背景中，并且 - 以及器件技术进步的简要历史 - 展示其技术优势及其未来的商业前景。
　　碳化硅或碳化硅的历史
　　尽管自20世纪70年代以来，与器件相关的SiC材料研究一直在进行，但是Baliga在1989年最正式地提出了SiC用于功率器件的前景。Baliga的品质因素是有抱负的材料和器件科学家继续推进SiC晶体生长和器件加工技术的额外动力。在20世纪80年代后期，世界各地正在进行大量努力，以提高SiC衬底和六方SiC外延的质量 - 垂直SiC功率器件所需 - 从日本的京都大学和AIST等机构到俄罗斯的Ioffe研究所。埃尔兰根大学和林克平在欧洲的SUNY-Stony Brook，Carnegie Mellon和美国的普渡大学等等。
　　在他们发布后的几年内，SiC肖特基二极管经历了可追溯到材料质量和器件架构的现场故障。在提高基板和外延的质量方面取得了迅速而迅速的进展; 同时，使用称为结势垒肖特基（JBS）的二极管结构，其更优化地分布峰值电场。2006年，JBS二极管演变为现在所谓的合并pn肖特基（MPS）结构，该结构保持最佳场分布，但通过结合真正的少数载流子注入也可以增强浪涌能力。如今，SiC二极管非常可靠，它们已经证明了比硅功率二极管更有利的FIT率。
　　MOSFET替代品
　　2008年推出的第一款SiC功率晶体管以1200 V结型场效应晶体管（JFET）的形式出现。SemiSouth实验室遵循JFET方法，因为当时双极结晶体管（BJT）和MOSFET替代品具有被认为是不可克服的障碍。虽然BJT具有令人印象深刻的每有效电流面积数字，但该器件有三个主要缺点：首先，许多设计师习惯于使用MOSFET或IGBT等电压控制器件，否则需要切换BJT所需的高电流。其次，BJT的驱动电流在具有大内置电位的基极 - 发射极结上传导，导致大量功率损耗。第三，由于BJT的双极行动，另一方面，JFET受到它通常在设备上的事实的阻碍，这可能吓跑许多电力电子设计师和安全工程师。当然，围绕这一点进行设计是可能的，但简洁性和设计优雅在工程领域被低估了。SemiSouth还有一个常关JFET，但事实证明它的批量生产太难了。今天，USCi，Inc。提供一种正常的SiC JFET，它采用共源共栅配置的低压硅MOSFET ，是许多应用的优雅解决方案。然而，SiC功率器件的圣杯一直是MOSFET，因为它与硅IGBT的控制相似 - 但具有前述的性能和系统优势。
　　SiC MOSFET的演变
　　SiC MOSFET存在一些问题，其中大部分与栅极氧化物直接相关。1978年科罗拉多州立大学的研究人员测量了纯SiC与生长的SiO 2之间的杂乱过渡区域。已知这种过渡区具有高密度的界面态和氧化物陷阱，其抑制载流子迁移率并导致阈值电压的不稳定性; 后来，太多的研究出版物都证明了这一点。SiC研究界的许多人在20世纪80年代末和90年代期间进一步研究了SiC-SiO 2系统中各种界面态的性质。
　　研究在90年代末和21世纪初导致显着改善了解界面态的来源（其密度略d 它），以及减少他们和减轻其不利影响。仅举几例值得注意的发现，在潮湿环境中的氧化-即，使用H 2 O作为氧化剂，而不是干氧2，观察到减少- d 它由两个至三个数量级的。此外，发现使用离轴衬底会降低D it至少一个数量级。最后但并非最不重要的，氧化后退火的一氧化氮的影响-通常被称为氮化过程-首先由李和他的同事发现于1997年，以减少d 它以非常低的水平。随后，六个或七个其他团体肯定了这一点，这一系列工作在Pantelides的论文中得到了很好的总结。当然，这将是一个令人震惊的遗漏，并不是要强调大量增长和晶圆研究界所做出的重大贡献，他们将我们从仅仅Lely血小板带到150毫米晶圆，几乎没有杀死设备的微管。
　　随着有希望的供应商忙于进行他们想要商业化的进步，未来几年内发布的SiC MOSFET研究进展有所放缓。然而，该阶段已经设定为最终改进，旨在进一步收紧阈值电压稳定性以及工艺增强和筛选，以确保可靠的栅极氧化物和完成器件认证。从本质上讲，SiC社区越来越接近寻找圣杯。
　　今天的MOSFET质量
　　在过去两年中，市售的1200 V SiC MOSFET在质量方面取得了长足的进步。渠道流动性已上升到合适的水平; 对于大多数主流工业设计，氧化物寿命已达到可接受的水平，并且阈值电压已变得越来越稳定。从商业角度来看，同样重要的是多个供应商已经达到了这些里程碑，其重要性在以后的部分中得到了保存。在这里，我们证实了今天的SiC MOSFET质量，包括长期可靠性，参数稳定性和器件耐用性。
　　使用加速的时间相关介质击穿（TDDB）技术，NIST的研究人员预测Monolith Semiconductor的MOS技术的氧化物寿命超过100年，即使结温高于200°C 。NIST的工作使用了氧化物（大于9 MV / cm）和结温（高达300°C）的施加电场的寿命加速因子; 作为参考，实际使用的氧化物电场约为4MV / cm（对应于V GS = 20V），并且操作期间的结温通常低于175℃。值得注意的是，虽然硅MOS中常见温度相关的加速因子，但在使用Monolith Semiconductor器件之前，NIST尚未看到SiC MOS。
　　接下来，已经令人信服地证明了阈值电压稳定性，如图1所示。高温栅极偏压（HTGB）在结温175°C和负极（V GS = -10 V）和正极（V GS = 25 V）栅极电压。根据JEDEC标准，测试了来自三个不同晶圆批次的77个器件，并且没有观察到明显的偏移。

　　图1：（a）负，VGS = -10 V和（b）正，VGS = 25 V，高温栅极偏压（HTGB）应力测试在175°C下在77个器件上执行，从三个不同的晶圆批次到2300小时。观察到可忽略的偏差。
　　另一个被证明长期稳定的参数设置是MOSFET的阻断电压和关断状态泄漏。图2显示了高温反向偏压（HTRB）测试数据。超过80个样品在V DS = 960 V和T j = 175 C下受压1000小时，之后应力测量显示漏极泄漏或阻断电压没有变化。关于器件的耐用性，图3和图4所示的初步测量结果表明，短路耐受时间至少为5微秒，雪崩能量为1 J.

　　图2：在VDS = 960 V和Tj = 175°C的应力1000小时后82个样品的高温反向偏压测试数据，说明（a）VDS = 1200 V或（b）阻断电压时漏极泄漏没有变化在ID =250μA时。

　　图3：在600 V和VGS = 20 V的直流链路上对1200 V，80mΩSiCMOSFET进行短路测试，表明耐受时间至少为5μs。

　　图4：在1200 V，80mΩSiCMOSFET上进行雪崩耐用性测试，表明在Ipeak = 12.6 A和L = 20 mH的设备中安全吸收了1.4 J的能量。
　　虽然我们无法谈及其他制造商产品的长期可靠性或耐用性，但我们可以说，根据我们对商用SiC MOSFET的评估，现在市场上似乎有多家供应商能够提供生产级别的产品。 SiC MOSFET。这些设备似乎具有可接受的可靠性和参数稳定性，这肯定会鼓励主流商业应用。
　　商业前景
　　除了质量改进之外，过去几年也取得了巨大的商业进步。除了创造对供应商和用户都有利的竞争格局之外，还有多个SiC MOSFET供应商可以满足客户的第二方需求。如前所述，考虑到器件的长期演变，多个SiC MOSFET供应商拥有足够可靠的器件这一事实已经取得了巨大的进步。图5，经YoleDéveloppement的“2016 Power SiC”报告［13］ 许可再现，显示了截至2016年7月各供应商的SiC MOSFET活动现状。商业上可用的部件已经从Wolfspeed，ROHM，ST Microelectronics和Microsemi发布; 社区可以很快期待Littelfuse和英飞凌的产品。

　　图5：各供应商的SiC MOSFET开发活动现状。
　　多芯片功率模块也是SiC世界中客户和供应商之间的热门话题。图6也摘自Yole的Développement2016年报告，展示了SiC模块开发活动的现状。我们相信在分立封装中SiC MOSFET的许多亮点仍然存在，因为控制和电源电路的最佳布局实践可以轻松地将分立解决方案的适用性扩展到数十千瓦。更高的功率水平和简化系统设计的动力将推动SiC模块的开发工作，但是不能过分夸大封装，控制电路和周围功率元件的寄生电感优化的重要性。

　　图6：SiC功率模块开发活动的状态。蓝色圆圈表示仅具有SiC器件的模块，而橙色圆圈表示使用硅晶体管和SiC二极管的模块。
　　在谈到SiC MOSFET的商业前景时，房间里的最终大象是一个代价。我们对价格侵蚀的看法是有利的，主要是由于我们的方法的两个方面：首先，我们的设备是在汽车级硅CMOS工厂制造的; 第二，该过程在150毫米晶圆上进行。这在单独的工作中有更详细的解释，但是可以说利用现有的硅CMOS工厂的核心优势是没有资本支出和运营费用的优化，否则两者都将被传递给最终客户。此外，与100毫米晶圆相比，150毫米晶圆上的制造产生的器件数量增加了一倍以上，这极大地影响了每个裸片的成本。价格的一些迹象如图7所示，基于Digi-Key商用SiC MOSFET的调查。例如，自六年前Digi-Key首次发布以来，即使SiC MOSFET价格仍然高出2-3倍，TO-247中1200 V，80mΩ器件的价格也下降了80％以上。比类似的硅IGBT。在今天的价格水平上，设计人员已经在Si IGBT上使用SiC MOSFET观察到系统级价格的显着优势，并且我们预计随着150 mm晶圆的规模经济，SiC MOSFET的价格将继续下降。

　　图7：在Digi-Key上看到的市售SiC MOSFET的价格调查。
　　结论
　　硅IGBT在20世纪80年代对电力电子领域产生了巨大的积极影响，从那时起它一直是该行业的主力。下一项革命性技术将是SiC MOSFET。今天的SiC MOSFET状态表明了主要商业障碍的解决方案，包括价格，可靠性，坚固性和供应商的多样化。尽管价格优于Si IGBT，但由于成本抵消了系统级优势，SiC MOSFET已经取得了成功。随着材料成本的下降，这项技术的市场份额将在未来几年急剧增加。经过四十多年的开发努力，最终，SiC MOSFET在商业上取得了广泛的成功，并在绿色能源运动中发挥了重要作用。


原作者： Sujit Banerjee等 电子技术速递

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