作者簡介：柏松，中國電子科技集團公司第五十五研究所、寬禁帶半導體電力電子器件國家重點實驗室，研究員，研究方向為寬禁帶半導體電力電子器件。
碳化硅電力電子器件已經成為國內外研究和產業化熱點，在一些應用領域正在逐步取代硅基電力電子器件。
本文概述了碳化硅材料和器件的特性，綜述了國際上碳化硅電力電子器件技術的發展現狀，展示了寬禁帶半導體電力電子器件國家重點實驗室在該領域取得的最新技術進展。
碳化硅（SiC）作為繼硅和砷化鎵之后發展起來的寬禁帶半導體的重要代表，正在成為制作高性能電力電子器件的理想半導體材料，已經顯現出由其材料特性預測的性能優勢，部分SiC器件成功實現了產業化，在一些重要的能源領域開始逐步取代硅基電力電子器件。
SiC電力電子器件優勢
更高電壓、更高效率、更高功率密度代表了電力電子器件技術的發展主題。
在2020年之前的50年中，硅基電力電子器件技術日益成熟，產業規模不斷壯大，在能源領域發揮了不可或缺的作用。
然而受材料特性所限，硅基電力電子器件性能正在接近其理論極限，難以繼續支撐技術和產業快速前進的要求。
進入21世紀后，尤其是在2010-2020年，諸多新興的半導體材料成為工業界的熱點，憑借優越的材料特性為電力電子器件技術帶來了新的發展動力。
下表列出了硅和各類新興半導體材料的特性，其中4H-SiC和氮化鎵（GaN）屬于寬禁帶半導體，而氧化鎵和金剛石為超寬禁帶半導體。
決定電力電子器件特性的主要材料參數包括禁帶寬度、擊穿場強、電子飽和漂移速度等。
4H-SiC、GaN、氧化鎵以及金剛石的材料特性與硅相比優勢非常顯著，在學術界和產業界越來越受重視，其中以SiC為代表的寬禁帶半導體的技術成熟度較高，在一些應用領域開始逐步取代硅基電力電子器件。
4H-SiC的禁帶寬度幾乎為硅的3倍，其本征載流子濃度遠低于硅，熱導率也達到硅的3倍，因而更加適合高溫、高電壓工作。
10倍的擊穿電場使SiC更適合制作高壓器件，能夠突破硅器件擊穿電壓的極限，達到10 kV甚至20 kV以上。
高擊穿電場使器件具有厚度更薄、摻雜濃度更高的漂移層，能夠實現更低的比導通電阻和更高的導通電流密度。
作為單極型器件的SiC金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），其比導通電阻遠低于同電壓等級硅MOSFET，最高擊穿電壓可超越硅絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），同時具有低導通損耗和低開關損耗，從而能夠實現更高的效率和更高的功率密度。
國際進展
在眾多SiC電力電子器件中，SiC肖特基二極管是商業化程度最高的，通常采用結勢壘肖特基（JBS）或者并和PIN肖特基（MPS）結構，具有反向漏電低、抗電流過沖能力強等優勢。
SiC肖特基二極管在600~3300 V電壓范圍內具備優越的性能和可靠性，已形成成熟的產品技術，廣泛應用于開關電源、光伏發電、新能源汽車等領域。
英飛凌公司發布的第六代SiC MPS二極管采用薄片、低勢壘等先進技術，降低導通電壓，提高導通電流密度，進一步提升了產品的市場競爭力。
在更高電壓的應用方面，SiC肖特基二極管也頗具吸引力，15 kV SiC肖特基二極管已研制成功，但其在高溫、高阻斷條件下的可靠性有待驗證。
SiC MOSFET 是最為成熟、應用最廣的SiC功率開關器件，具有高開關速度、低損耗和耐高溫等優點，被認為是替代硅IGBT的最佳選擇。
SiC材料可以通過熱氧化工藝在表面生長氧化層，因此SiC MOSFET可基本沿用硅基功率MOSFET的制備工藝。
然而由于SiC/SiO2界面處存在大量的陷阱電荷和界面電荷，使得SiC MOSFET的溝道遷移率較低，進而使器件的導通電阻增加。
同時，SiC的臨界擊穿電場強度更高且介電常數是SiO2的2.5倍，容易出現由于SiO2內電場強度過高而引發器件失效等可靠性問題。
因此，必須優化設計SiC MOSFET的元胞結構和終端結構，同時深入研究柵氧介質的形成工藝。
SiC功率MOSFET通常采用平面結構或者溝槽結構，在650~3300 V電壓范圍內已形成成熟的產品技術。
SiC功率MOSFET器件結構
SiC MOSFET溝道遷移率低的問題仍然比較突出，對于中低壓器件（650~1700 V）溝道電阻占總導通電阻的比例較高。
羅姆半導體集團和英飛凌科技公司采用溝槽結構SiC MOSFET，沒有結型場效應晶體管（JFET）區，具有更高的溝道密度，同時溝道所在SiC晶面具有較高的溝道遷移率，因此能夠實現更低的比導通電阻。
而Cree和意法半導體兩家公司采用平面結構SiC MOSFET，通過優化器件的結構設計，實現了性能和可靠性俱佳的產品技術，得到了廣泛的應用。
Cree發布的第三代平面結構SiC MOSFET，1200 V產品的比導通電阻僅為2.7 mΩ⋅cm2，在高壓領域也顯示出優越的性能，10和15 kV器件的比導通電阻分別為123和208 mΩ⋅cm2，基本達到了單極型SiC器件的理論極限。
Cree公司SiC MOSFET研制結果
SiC功率MOSFET作為單極型器件，導通狀態下通過多數載流子導電，當擊穿電壓達到10 kV甚至更高時，高導通電阻成為限制其應用的重要問題。
SiC IGBT是一種雙極型器件，器件的背面多了一個pn結，當器件處于導通狀態時，背面的pn結會將少子注入到漂移層，產生電導調制效應，從而實現更低的導通電阻，更加適合智能電網等設施的高壓大功率應用。
由于SiC的電子遷移率比空穴遷移率高1個量級，n溝道SiC IGBT（N-IGBT）比p溝道SiC IGBT（P-IGBT）具有更優越的導通和開關特性。
Cree公司和日本產業技術綜合研究所等報道了12~27 kV 高壓SiC N-IGBT 的研制結果，15 kV SiC N-IGBT 的微分比導通電阻僅為14 mΩ⋅cm2，而27 kV SiC N-IGBT 也只有123 mΩ⋅cm2，充分顯示出高壓大功率的性能優勢。
高壓SiC N-IGBT 研制結果
SiC N-IGBT需要p型SiC襯底，其質量和性能均有待提升，另外SiC的載流子壽命比較低，限制了SiC IGBT性能的進一步提升。
SiC電力電子器件最新研制進展
依托中國電子科技集團公司第五十五研究所建立的寬禁帶半導體電力電子器件國家重點實驗室，致力于以SiC為代表的寬禁帶半導體電力電子器件技術研究和開發，建立了600~3300 V SiCMPS 二極管和1200~1700 V SiC MOSFET 產品技術，在新能源汽車、光伏發電等領域實現了應用。
為進一步發揮SiC電力電子器件高電壓、大功率、高效率、高功率密度等優勢，本實驗室面向國際科技前沿開展SiC MOSFET、SiC IGBT等器件技術的開發工作。
01 1200VSiC MOSFET
SiC功率MOSFET器采用了平面型結構。
研制的第一代1200 V/80 mΩ SiC MOSFET 器件，芯片的有源區面積為8.5 mm2，比導通電阻6.8 mΩ⋅cm2。按照工業級標準完成了器件的可靠性考核。
閾值電壓和體二極管的穩定性是SiC MOSFET器件可靠性的兩項重要挑戰。
在環境溫度150℃、柵極偏置電壓+20 V和-10 V的應力條件下，經過1000 h的考核，SiC MOSFET器件的閾值電壓漂移率均小于0.3 V。
SiC MOSFET器件的體二極管也經受了在環境溫度150℃、1000 h的穩態工作壽命考核，顯示出良好的穩定性。
為進一步提升SiC MOSFET器件的導通電流密度，降低柵電容，對SiC MOSFET 器件的結構設計和制造工藝展開了改進研究。
尤其是針對SiC MOSFET溝道導通電阻大的問題，開發了柵氧前氮注入與柵氧后氮化退火相結合的工藝，實現了溝道遷移率的明顯提升。
結合SiC MOSFET單胞結構優化以及JFET區選擇摻雜技術，研制出新一代1200 V/80 mΩ SiC MOSFET器件，芯片有源區面積縮小到6 mm2，比導通電阻降低至4.8 mΩ?cm2，擊穿電壓為1500 V。
1200 V/80 mΩ SiC MOSFET導通和阻斷測試曲線
該產品的可靠性和可生產性通過驗證后，性價比將得到顯著提升。
02 6.5~15 kV SiC MOSFET
采用平面型MOS結構，進行了高壓SiC MOSFET器件技術的開發。
在3.3 kV以上的高壓領域，SiC MOSFET的溝道電阻在器件總電阻中的比例顯著降低，而外延漂移層電阻成為最主要的組成部分，在做好器件耐高壓設計之外，漂移區外延摻雜濃度和厚度的設計最為關鍵。
SiC器件擊穿電壓與外延層厚度以及濃度之間的關系
研制的6.5 kV/150 mΩ SiC MOSFET擊穿電壓達7.8 kV，在阻斷電壓為6.5 kV時漏電流小于2 μA，有源區面積35.6 mm2，比導通電阻53 mΩ?cm2。
將6.5 kV SiC MOSFET與6.5 kV硅IGBT的開關損耗進行了對比，SiC MOSFET器件的總開關損耗僅為傳統Si-IGBT模塊的1/15，因此更加適合高開關頻率應用。
開展了10和15 kV SiC MOSFET器件的設計和制備。當柵極電壓VGS為20 V、漏源極電壓VDS為5.0 V時，研制的10 kV/480 mΩ SiC MOSFET器件的導通電流為10.4 A，比導通電阻為144 mΩ?cm2。
研制的15 kV/680 mΩ SiC MOSFET采用了摻雜濃度6×1014 cm-3、厚度150 μm的SiC外延漂移層，芯片尺寸為9.2 mm×9.2 mm，有源區面積30.1 mm2，采用了總寬度為1.5 mm的場限環終端。
室溫下15 kV SiC MOSFET的導通和阻斷性能測試結果顯示，器件的擊穿電壓達15.5 kV，漏源極電壓VDS為6.5 V 時導通電流達9.6 A，對應的比導通電阻為204 mΩ?cm2，為目前報道的最高水平。
15 kV SiC MOSFET 導通和阻斷測試曲線
03 20 kV SiC IGBT
高壓SiC N-IGBT在n型SiC襯底上依次外延生長了20 μm厚的p+少子注入層，3 μm厚n型緩沖層以及180 μm厚摻雜濃度為2×1014 cm-3的n型漂移層。
器件的單胞長度為14 μm，MOS溝道長度1.0 μm，采用了總寬度為1.5 mm的場限環終端，芯片尺寸為9.2 mm×9.2 mm，有源區面積30.1 mm2。
SiC N-IGBT器件結構示意
SiC N-IGBT的正面工藝與SiC MOSFET基本相同，采用了1350℃氧化工藝以提升載流子壽命。
在正面工藝完成后通過研磨去除n型SiC襯底，采用激光退火工藝在背面p+注入層表面形成良好的p型歐姆接觸。
室溫下20 kV SiC N-IGBT導通和阻斷測試曲線，其中阻斷特性是將器件浸入在絕緣液體中測試獲得
當VGE=0 V、VCE=20 kV時，器件的漏電流為40 μA。當VGE=20 V，VCE=6.5 V 時，SiC IGBT 的集電極電流達20 A，微分比導通電阻為36 mΩ?cm2，顯示出SiC IGBT作為雙極型器件在高阻斷電壓、高導通電流密度等方面的突出優勢。
結論
SiC電力電子器件已經成為國內外研究和產業化熱點。
國內眾多科研機構正在通過技術攻關追趕國際上突飛猛進的發展步伐，建立了中低壓SiC肖特基二極管和SiC MOSFET產品技術，推進產品在數據中心電源、光伏發電、新能源汽車等領域的批量應用，面向國際科技前沿開展高壓和超高壓SiC MOSFET、SiCIGBT等器件技術的開發并取得重要成果，縮小了與國際先進水平之間的差距。
“新基建”為寬禁帶半導體器件帶來新的發展機遇，我們應抓住機遇，加快提升以SiC為代表的新一代電力電子器件的技術水平，努力實現從跟跑到并跑再到領跑。
論文發表于《科技導報》2021年第14期，歡迎訂閱查看。
