SiC功率器件研究與應用進展

王絳梅，王永維

(1.中國電子科技集團公司，北京 100846；2.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

SiC功率器件研究與應用進展

王絳梅1，王永維2

(1.中國電子科技集團公司，北京 100846；2.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

綜述了SiC材料、SiC二極管（SBD、JBS等）、SiC結型場效應晶體管（JFET）、SiC金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）和SiC絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）器件的研究進展，以及SiC功率器件商品化應用情況。

碳化硅；肖特基勢壘二極管；金屬-氧化物半導體場效應晶體管

SiC與GaN同為第三代寬禁帶半導體材料。由于SiC材料具有禁帶寬度大、擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、熱導率大等特點，SiC功率器件展現了極大的應用潛力，特別是在無人機、光伏發電、高鐵、電動汽車、重型電機、開關電源等多個領域，其高效率、高功率、高頻率的優勢正得到大力開發和應用。世界各國對SiC材料及功率器件的研究非常重視，美、歐、日等不僅從政府層面上制定了相應的研究規劃，而且一些國際電子業巨頭也都投入巨資發展SiC半導體器件。

1 SiC材料

目前在大規模使用的Si功率器件已經達到其性能極限，Si功率器件的工作頻率、功率、耐熱溫度、能效、耐惡劣環境及小型化等性能的提高將面臨難以逾越的瓶頸。以SiC為代表的第三代半導體材料以其各項優異特性逐漸受到業內人士的關注。與Si材料相比，SiC具有更多優越的物理特性，如：電場強度約為Si的10倍，熱導率約為Si的3倍，禁帶寬度約為Si的3倍，飽和漂移速度約為Si的2倍。SiC同素異構體有上百種，但主要的同素異構體為3C-SiC、4H-SiC及6H-SiC幾種[1]。6H-SiC與4H-SiC禁帶寬度分別為3.02 eV、3.26 eV，相應本征溫度可達到800℃以上。即使是禁帶寬度最窄的3C-SiC，其禁帶寬度也達到了2.23 eV左右。

表 1 SiC和Si主要物理性質[2]

上世紀六、七十年代，前蘇聯對SiC材料研究較深入，并于1978年首次采用了“Lely改進技術”（PVT法）晶粒提純生長方法[3]。PVT法克服了Lely法自發成核生長的缺點，可得到單一晶型的SiC單晶，且可生長較大尺寸的SiC單晶，國際上基本上采用PVT法制備碳化硅單晶。美國Cree公司自上世紀90年代開始對SiC材料的研究，其150 mm（6英寸）SiC晶片已經商品化，目前在SiC材料和器件研發、生產上均處于世界領先地位[4]。

SiC材料首先要解決的是其材料的生成及加工。從制造工藝來看，生長的碳化硅晶柱經過齊頭、斷尾、滾圓后，用切割機分割成晶片，再對晶片采用研磨工藝來除去切片時造成的波紋鋸痕及表面損傷層(晶片制造流程見圖1)，有效改善單晶片的翹曲度、平坦度與平行度，采用單面粗拋光或磨削減薄工藝加工獲得一個基準面，最后采用CMP拋光工藝獲得無晶格缺陷的完整表面，在其上進行鍍膜、蝕刻等集成電路制造工藝。由于SiC晶體材料硬度高，摩氏硬度高達9.0，而且斷裂韌性低，加工異常困難。

圖1 SiC晶片制造工藝流程及設備

SiC芯片制造與器件封裝的關鍵裝備20余種，其工藝流程及關鍵制造設備見圖2所示。

圖2 工藝流程及關鍵設備

晶片襯底和外延層中的微管缺陷密度是SiC材料需要解決的另一個主要問題，也是阻礙商業化的主要障礙。只要一根微管穿過高壓PN結就會破壞PN結阻斷電壓的能力，因此，對于大面積器件，只有零缺陷的材料才能制成具備一定成品率的器件。隨著外延工藝的成熟，SiC外延片產品已經可以做到微管缺陷密度低于0.1/cm2。ABB公司采用有特殊功能的光學顯微鏡，可用計算機自動檢測、識別每個微管缺陷在SiC晶片上的正確位置并記錄在電腦中[5]。SiC材料需要解決的另外一個問題是SiC片外延層的摻雜濃度和厚度的均勻性，及各批次間摻雜濃度的穩定性。目前采用CVD方法同質外延摻雜濃度為1E14 cm-3、厚度大于100 μm外延層工藝已經成熟，為制造阻斷電壓大于20 kV器件打下良好的基礎。

2 SiC功率器件

SiC功率器件具有反向漏電流小、開關頻率高、阻斷電壓高、導通電阻小和工作溫度高等性能特點，目前開發的主要產品包括：SiC二極管（SBD、JBS等）、SiC 結型場效應晶體管（JFET）、SiC金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）及全SiC功率模塊等。

2.1 SiC二極管

SiC二極管主要包括肖特基勢壘二極管(SBD)、結勢壘肖特基二極管(JBS)等。由于SBD是一種多數載流子導電器件，不存在少數載流子引起的反向恢復問題。SBD的反向恢復時間只是肖特基勢壘電容的充、放電時間，完全不同于PN結二極管的反向恢復時間。由于SBD的反向恢復電荷非常少，故開關速度非常快，開關損耗也特別小，尤其適合于高頻應用。由于單極型器件阻斷電壓與導通電阻的制約關系，以及晶圓材料缺陷帶來的芯片面積上的限制，SiC SBD的單芯片電流導通能力隨電壓等級提升而急劇減小。為了實現高壓大容量應用，需要將多芯片并聯組成SiC功率模塊進行使用。在器件結構上，SiC JBS采用了結型肖特基勢壘二極管結構進行器件制備，和SBD二極管相比，JBS結構在器件有源區增加了相間的P+注入區，如圖3，這樣可以顯著提高器件耐壓，解決SBD器件漏電較大的問題。使用外延厚度50 μm以上的4H-SiC材料，JBS器件可實現超過5 000 V的電壓阻斷能力。早在2001年德國英飛凌就開發成功SiC肖特基二極管，隨后Cree同年也開始投產。目前SiC二極管已形成穩定的系列產品，如600 V、1 200 V以及1 700 V規格，已投產或即將投產SiC SBD的公司還有STMicroelectronics（意法半導體公司）、SiCED（德國）、SemiSouth（美國）以及日本公司如羅姆、新日鐵、三菱電機等。目前國內也已經具備了SiC二極管的量產能力，泰科天潤、中國電子科技集團公司第十三研究所、第五十五研究所、世紀金光等公司相繼推出了系列化SiC二極管產品，并且性能指標已經達到國外同類產品指標。

圖3 SiC JBS二極管結構

2.2 SiC結型場效應晶體管（JFET）

圖4所示為垂直型SiC JFET結構圖，通過PN結耗盡來控制器件的通斷，為負柵壓控制器件，由于JFET器件不需要制作柵氧化層得到廣泛關注。Asano等人在2001年報道了用4H-SiC制作的SEJFET場效應管。其阻斷電壓達到5 500 V，比導通降低218 mΩ·cm-2。表明兼顧正反向特性的優化設計，已將4H-SiC場效應管的通態比電阻縮小到只有Si場效應器件理論值的1/230，是其理論值的4.5倍，說明性能改進的空間還很大。為充分挖掘SiC材料在場效應器件方面的潛力，不斷有新的結構出現。目前，SiC結型場效應晶體管JFET也實現一定程度的產業化，產品電壓等級在1 200 V、1 700 V，單管電流等級最高可以達20 A，模塊的電流等級可以達到100 A以上。但是，隨著SiC材料氧化工藝的成熟，MOSFET器件成為了開關器件市場上的主流，JFET器件的發展受到一定的限制。

圖4 垂直型SiC JFET結構

2.3 SiC金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）

在半導體功率開關器件中，MOSFET作為多子導電的單極型功率晶體管顯著地減小了開關時間，因而很容易達到100 kHz以上的開關頻率。Si MOSFET在高壓應用時，最大缺點是導通電阻隨耐壓的2.5次方急劇上升，給應用帶來很大困難。由于SiC材料優良物理特性，以及與Si類似，能夠熱生長出穩定氧化物的特點，所以SiC MOSFET具有低比導通電阻、高工作頻率和高溫工作穩定性的優點，在功率器件領域具有很廣闊的應用前景。目前SiC MOSFET發展迅速，國際上報道了多種SiC MOSFET 結構：UMOS、VDMOS、LDMOS 等。2004年SeI Hyung Ryu等人報道了耐壓10 kV、比導通電阻為123 mΩ·cm2的4H-SiC DMOS。2007年Cree公司報道在75 mm（3英寸）4H-SiC晶圓上制作出芯片尺寸為8.11 mm×8.11 mm的10 kV/20 A VDMOS，已經應用在20 kHz的10 kV半橋模塊中。2008年日本京都大學報道了雙RESURF結構LDMOS，它具有1 550 V阻斷電壓和54 mΩ·cm2比導通電阻，品質因子為44 MW/cm2。目前，SiC金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）已進入實用化階段，美國Cree和日本Rohm公司已經能提供業界領先的SiC MOSFET器件，美國已經將SiC MOSFET器件應用于美國下一代航空母艦CVN-21的配電系統的2.7 MVA的固態功率變電站開發中。目前，國內SiC MOSFET器件已經有產品報道，但器件指標和產品成熟度與國外比較還存在一定差距。

圖5 SiC MOSFET器件結構

2.4 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

SiC IGBT綜合了功耗低和開關速度快的特點，相對于硅基的IGBT、晶閘管等器件具有顯著的技術優勢，特別適用于高壓、電力系統應用領域。可以預見的是，高壓SiC IGBT將成為下一代智能電網技術中電力電子技術最核心的器件（結構見圖6所示）。如同其他大多數功率器件，SiC IGBT所面臨的主要挑戰也集中在如何提高耐壓、降低導通電阻、增大開關頻率以及器件安全工作區等方面。解決這些問題主要通過器件結構的優化與材料和工藝的改進來實現，近年來SiC IGBT的研究也取得了很大進步。美國2014 Cree公司報道了耐壓大于15 kV的SiC IGBT器件，電流大于50 A，并且開關時間可以控制在200 ns以下，這已經超出了Si基器件性能的極限，對于超高壓應用領域具有重要意義。

3 SiC功率器件應用研究情況

全球SiC需求的持續增加，帶動了下一代SiC材料和工藝的不斷改進，推動器件向高性能、低成本方向發展。

圖6 SiC IGBT器件結構

目前，基于SiC器件的快充技術成為發展重點，包括意法半導體、臺積電、英飛凌等多家公司均推出SiC快充器件產品，以滿足混動/電動汽車、國家電網、高鐵等領域對功率器件的需求。

2016年3 月，GE公司展開了面向將SiC技術用于高電壓地面車輛電子功率系統，優化在高溫環境工作的電子系統的體積、重量、功耗的SiC功率器件研發。

2016年5 月，意法半導體(ST)的先進SiC功率器件加快汽車電動化進程，已完成650 V AEC-Q101級SiC二極管認證，最新的650 V SiC MOSFET和1 200 V SiC二極管將于2017年初完成，新一代1 200 V SiC MOSFET將于2017年底完成認證測試。

2016年8 月，美國能源部斥資2 200萬美元，主要用于開發更高性能SiC電力電子器件，以提高礦物燃料輸運和工業級壓縮系統等高能耗產業、產品和加工技術的能效。

2016年8 月，北京世紀金光半導體有限公司自主研發的SiC MOSFET和SiC功率模塊問世，在國家重大專項的支持下，該公司現有1 200 V、80 mΩ和900 V、65 mΩ兩款SiC MOSFET產品完成了初樣、試樣和正樣的研制，已經多批次給用戶送樣驗證，公司還研發出了600 V、5～30 A和1 200 V、10～30 A系列SiC SBD產品 (肖特基二極管)，并實現了批量供貨。

2016年10 月，德國愛爾福特的X-FAB硅鑄造廠宣稱在與美國能源部（DOE）和由美國北卡羅來納州立大學牽頭的下一代電力電子國家制造業創新研究所的合作下，已經在其德克薩斯盧伯克工廠部署了高溫離子注入機，據說這是世界上第一個支持150 mm（6英寸）SiC生產的半導體工廠，美國北卡羅萊納州立大學未來可再生能源傳輸和管理(FREEDM)系統中心研制出高壓和高頻SiC功率開關，可工作在15 kV、40 A，為開發擊穿電壓在2.4～15 kV的功率開關鋪平道路。

4 結束語

SiC器件的成本問題仍然是制約其發展的主要因素，隨著技術的成熟、成本的下降將帶動行業的發展。據市場調研機構預測，到2020年，SiC器件價格將下降50%，到2022年，市場規模將達到40億美元，年平均復合增長率可達到45%，且光伏和新能源車逆變器將占主導地位，進一步縮減系統體積與重量。SiC高壓大功率器件將向更高性能、低成本方向發展，并成為全球電力電子器件大型企業目前重點的發展方向，具有廣闊的應用前景和市場潛力。我國正在實施“節能減排”的國家發展政策，SiC材料與功率器件無疑會對此起到巨大的推動作用。

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Research and Application Development of SiC Power Devices

WANG Jiangmei1，WANG Yongwei2

(1.China Electronics Technology Corproration，Beijing 100846，China；2.The 13thResearch Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China)

The development of Silicon Carbide(SiC)materials，Schottky Barrier Diode(SBD)，Junction Barrier Diode(JBS)，Junction Field Effect Transistor(JFET)，Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor(MOSFET)and Insulated Gated Bipolar Transistor(IGBT)are reviewed.Meanwhile，the SiC products commercialized application situation also introduced.

Silicon carbide(SiC)；Schottky barrier diode(SBD)；Metal-oxide-semiconductor field effect transistor(MOSFET)

TN605

A

1004-4507(2017)06-0001-06

2017-11-10