细看SiC MOSFET 的开展状况.docx

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1、细看SiCMOSFET的开展状况网络转载导语：这种颠覆性的功率晶体管在20世纪80年代早期实现贸易化，对电力电子行业产生了宏大的积极影响，它实现了创新的转换器设计、进步了系统效率和全球节能。事实上，有估计显示，IGBT在过去25年中帮助防止了75万亿磅的二氧化碳排放。这种颠覆性的功率晶体管在20世纪80年代早期实现贸易化，对电力电子行业产生了宏大的积极影响，它实现了创新的转换器设计、进步了系统效率和全球节能。事实上，有估计显示，在过去25年中帮助防止了75万亿磅的二氧化碳排放。正如20世纪80年代革命性的技术，如今的宽带半导体碳化硅(SiC)也越来越显示出再次革新电力电子世界的希望。IGBT为

2、我们带来了可以以较低的通态(即：较低的导通电阻)损耗以及控制良好的高压开关阻断晶体管。然而，这种器件在开关速度上是有限的，如此导致了较高的开关损耗、庞大且昂贵的热治理以及功率转换系统效率的上限。SiC晶体管的出如今相似的通态损耗(实际上在轻负载状态下会更低)以及电压闭锁才能的条件下几乎消除了所具有的开关损耗，除了降低系统的整体重量和尺寸外，它还带来了前所未有的效率进步。然而，像大多数颠覆性技术一样，商用SiC功率器件的开展也经历了一段时期的动乱。本文的目的旨在讲明SiCMOSFET技术开展的来龙去脉，以及这种器件进展的简史，展示其今天的技术上风和将来的贸易前景。早期的碳化硅尽管与器件相关的Si

3、C材料研究自上世纪70年代以来一直在进展，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的品质因数为有抱负的材料和器件科学家继续推进SiC晶体开展和器件处理技术提供了额外的动力。在20世纪80年代末，为进步SiC基板和六角碳化硅外延的质量，世界各地的科研院校都付出了宏大的努力，如日本的京都大学和工业技术院、俄罗斯的约飞研究所、欧洲的埃朗根和林雪平大学、美国的纽约大学石溪分校、卡内基梅隆大学、和普渡大学等等。技术改良在90年代大局部时间里都在持续，直到Infineon(英飞凌)于2001年以碳化硅肖特基二极管的形式推出了第一款贸易化器件。在他们发布产品之后的几

4、年里，碳化硅肖特基二极管经历了源于材料质量和器件架构的现场故障。为进步基板和外延的质量，获得了快速而又宏大的进步;同时，采用了一种可以更有效地分布峰值电场的被称为“势垒肖特基结(JBS)的二极管构架。2006年，JBS二极管演化为如今被称为合并的p-n肖特基(MPS)构造，这种构造保持了最优的场分布，但也通过合并真正的少数载流子注入实现了增强的缓冲才能。今天，碳化硅二极管是那么的可靠，以致于它们比硅功率二极管显示出更有利的FIT率。MOSFET替换器件第一款向市场投放的碳化硅功率晶体管是在2020年以1200伏结场效应晶体管(JFET)的形式出现的。SemiSouth实验室遵循了JFET的方法

5、，由于当时，双极结晶体管(BJT)和MOSFET替换器件存在着被以为无法克制的障碍。固然BJT有令人印象深入的每活泼区域电流的数据，但这种器件有三大缺点：其一，开关BJT器件所需的高电流被很多习惯于使用像MOSFET或者等电压控制器件的设计者所反对;其二，BJT的驱动电流是在一个具有宏大内建电势的基射结上传导的，进而导致宏大的功率损耗;其三，由于BJT的双极动作，它十分轻易受到一种被称为双极退化的器件消磨现象的影响。图1：(a)正极，VGS=+25V，和(b)负极，VGS=-10V，对从三个不同的晶片批次中抽取的77个器件在175C下进展2300小时的高温栅极偏置(HTGB)压力测试。观察到在

6、阈值上可忽略不计的偏向。另一方面，JFET的应用由于它是一种常开器件的事实而受到阻碍，这会吓跑很多电力电子设计师和安规工程师。当然可以围绕这个方面进展设计，但是简单性和设计精致是工程世界中被低估的美德。SemiSouth也有一种常关的JFET器件，但事实证实这种器件很难进展批量消费。今天，USCi公司提供了一种采用共源共栅配置的与低电压硅MOSFET一同封装的常开SiCJFET器件，成为了很多应用的一种精致的解决方案。尽管如此，由于MOSFET在控制上与硅的相似性，但是具有前述的在性能和系统效益方面上风，MOSFET一直是碳化硅功率器件的圣杯。碳化硅MOSFET的演变SiCMOSFET有它的一

7、些问题，其中大局部与栅氧化层直接相关。1978年，科罗拉多州立大学的研究人员测量出了纯SiC和生长的SiO2之间的一个混乱的过渡区域，这是第一次观察到的费事预兆。这样的过渡区域被以为具有抑制载流子挪动并导致阈值电压不稳定的高密度的界面状态和氧化物陷阱;这在后来被大量的研究出版物证实确实如此。20世纪80年代末和90年代，SiC研究领域的很多人对SiC-SiO2系统中的各种界面状态的性质进展了进一步的研究。20世纪90年代末和21世纪初期的研究使得对界面状态(密度缩写为Dit);的理解以及减少这些;并减轻它们的负面影响有了显著的进步。举几个值得留意的发现，研究观察到潮湿环境中的氧化(即，使用水作

8、为氧化剂而不是枯燥的氧气)将Dit降低两到三个数目级。此外，研究发现使用离轴基板将Dit降低至少一个数目级。最后一项也非常重要，一氧化碳中后氧化退火(一种通常成为氮化的方法)的效果在1997年首先由Li及其同事发现，可以将Dit降低到非常低的程度。这一发现随后又被六七个其他小组确认，Pantelides的一篇论文很好地对这一系列研究工作进展了总结。当然，假如不去强调单晶生长和晶圆研究界所做的重大奉献将是非常过份的忽略，之前我们只有纯粹的莱氏片晶，他们为我们带来了的几乎没有设备损伤性微管的150毫米晶圆。由于有希望的供给商正在忙于推进贸易化，在接下来的几年中关于SiCMOSFET的研究进展有所减

9、缓。然而，为了进一步进步钳位电压稳定性以及经过增强和挑选以确保可靠的栅极氧化物和器件鉴定的完成，为最终的改良已做好了预备。本质上，SiC研究界离发现圣杯越来越近了。如今的MOSFET质量在过去的两年里，市售的1200VSiCMOSFET在质量方面走过了很长的一段路。沟道迁移率已经进步到适当的程度;大多数主流工业设计的氧化物寿命到达了可承受的程度;阈值电压变得越来越稳定。从贸易角度来看同样重要的是，多家供给商已经迎来了这些里程碑，下一节将对其重要性进展阐述。在这里，我们将证实今天的SiCMOSFET质量的要求，包括长期可靠性、参数稳定性和器件耐用性。采用加速的时间依靠性介质击穿(TDDB)技术，

10、NIST的研究人员预测出MonolithSemiconductor公司的MOS技术的氧化物寿命超过100年，即使实在高于200摄氏度的结温下也是如此。NIST的研究工作使用了在氧化物上外加电场(大于9MV/cm)和结温(高达300C)的寿命加速因数;作为参考，在实际应用中的氧化物电场约为4MV/cm(相当于VGS=20V)，并且工作中的结温通常低于175摄氏度。值得留意的是，固然在硅MOS中常见温度依靠性的加速因数，但是在使用MonolithSemiconductor公司的器件进展研究之前，NIST尚未看到SiCMOS有这种情况。然后，阈值电压稳定性也得到了令人信服的证实，如图1所示。在175

11、摄氏度结温顺低于负(VGS=-10V)和正(VGS=25V)栅极电压的条件下进展了高温栅偏置测试(HTGB)。根据JEDEC标准，对三个不同晶圆批次的77只器件进展了测试，并没有观察到显著的变化。证实长期稳定性的另一个参数是MOSFET的阻断电压和断态漏电。图2显示的是高温反向偏置(HTRB)测试数据。在VDS=960V和Tj=175C的条件下，超过八十个样品被施加1000小时应力，后应力测量结果显示漏极漏电和阻断电压上没有变化。关于器件的耐用性，图3和图4所示的初步测量结果显示出至少5微秒的短路耐受时间和1焦的雪崩能量。图2：在VDS=960V和Tj=175C的条件下82个样品施加1000小

12、时应力后的高温反向偏置测试数据，说明在(a)VDS=1200V时的漏极泄漏和(b)ID=250A时的阻断电压无变化。固然我们无法证实其他制造商产品的长期可靠性或者耐用性，但是我们可以讲，根据我们对市售的SiCMOSFET的评估，如今市场上似乎有多家供给商可以供给消费程度量的SiCMOSFET。这些器件似乎具有可承受的可靠性和参数稳定性，这必定会鼓励主流的贸易应用。图3：在600V直流链路和VGS=20V的条件下对1200V、80mSiCMOSFET进展的短路测试，说明耐受时间至少为5s。图4：对1200V、80mSiCMOSFET进展的雪崩耐久性测试，说明Ipeak=12.6A和L=20mH的

13、器件平安吸收的能量为1.4焦。贸易前景除了质量的改善外，近几年来，贸易化进程获得了宏大的进步。除了创造有利于供给商和用户的竞争格局之外，有多家SiCMOSFET供给商可以知足对第二供给商的担忧。如前所述，鉴于器件的漫长演进经过，多家SiCMOSFET供给商拥有足够可靠的器件的事实是一次宏大的进步。经答应转自YoleDveloppement的（2016功率SiC）报告的图5，显示出截至2016年7月各供给商的SiCMOSFET活动。Wolfspeed、ROHM、STMicroelectronics和Microsemi均推出了市售的零部件;业界很快可以看到来自Littelfuse和英飞凌的产品。多

14、晶片功率模块也是SiC领域客户和供给商之间的一个热门话题。图6，同样转自YolesDveloppement2016年的报告，显示了SiC模块开发活动的状态。我们相信，对别离封装的SiCMOSFET仍然存在大量的时机，由于控制和功率电路的最正确布局理论可以很轻易地将别离解决方案的适用性扩展到几十千瓦。更高的功率程度和简化系统设计的动机将推动SiC模块的开发工作，但是从封装、控制电路和四周的功率组件中优化寄生电感的重要性不能被夸张。当谈到SiCMOSFET贸易前景时最后一点不可回避的问题是价格。我们关于价格腐蚀的看法是有利的，主要是我们的方法的两个方面：首先，我们的器件是在一个汽车级的硅CMOS工

15、厂中制造的;其次，这种工艺采用的是150毫米晶圆。在另一项研究工作中我们更具体地解释了这一点，然而，可以简单地讲，利用现有的硅CMOS工厂的核心上风是缺乏资本支出和优化经营费用(这两者都会被传递到最终客户)。此外，采用150毫米晶圆进展制造产出的器件要比100毫米晶圆多出两倍，这大大影响了每个模具的本钱。根据在Digi-Key公司进展的一项市售SiCMOSFET调查，图7中给出了一些关于价格的预示。例如，自从六年前在Digi-Key公司的首次公告，TO-247封装的1200V、80m器件的价格下降了超过百分之八十，即使SiCMOSFET仍然比类似的硅IGBT贵两到三倍。在今天的价格程度上，相比

16、拟硅IGBT，设计人员已经看到了使用SiCMOSFET所带来的宏大的系统层面的价格效益，而且我们预计，随着150毫米晶圆的规模经济形成，SiCMOSFET的价格将会继续下降。图5：不同供给商的SiCMOSFET开发活动的状况。图6：SiC功率模块开发活动的状况。蓝色圆圈表示只有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。图7：在Digi-Key公司看到的关于市售SiCMOSFET的价风格查。结论上个世纪80年代，硅IGBT对电力电子行业产生了宏大的积极影响，从那时起，它一直是这个行业的主力。下一项革命性的技术将是SiCMOSFET。SiCMOSFET今天的开展状况指出了主要的贸易障碍(包括价格、可靠性、耐用性和供给商的多样化)的解决方案。尽管价格溢价超过硅IGBT，但由于本钱抵消的系统层面效益，SiCMOSFET已经获得了成功;随着材料本钱的下降，这种技术的市场份额在将来几年将大幅增加。经过40多年的开发工作，SiCMOSFET终于似乎做好了广泛的贸易成功的预备，并在绿色能源运动中发挥出重要的角色。