電力電子行業(yè)在 80 年代初期向前邁出了一大步，當(dāng)時(shí)絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 技術(shù)的引入使創(chuàng)新型電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)成為可能，從而以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高的效率。IGBT 可以以低導(dǎo)通電阻（即低飽和電壓）阻止高電壓，并且可以在相對(duì)較高的開關(guān)頻率下工作。然而，隨著開關(guān)頻率的增加，開關(guān)損耗也會(huì)增加。反過(guò)來(lái)，這會(huì)產(chǎn)生更多需要正確散熱的熱量，從而增加成本并降低系統(tǒng)效率。

碳化硅 （SiC）技術(shù)大大降低了開關(guān)損耗，保持了相同的電壓阻斷能力，但具有前所未有的效率、更好的熱管理和更小的尺寸。與標(biāo)準(zhǔn)硅基技術(shù)相比，寬帶隙技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)。工作溫度可以更高，熱管理得到改進(jìn)，并且在輕負(fù)載條件下開關(guān)和傳導(dǎo)損耗都降低了。

碳化硅的歷史

盡管碳化硅材料幾十年來(lái)一直是研究的主題，但直到 80 年代后期才有人建議將其用于功率器件制造。世界各地的實(shí)驗(yàn)室付出了相當(dāng)大的努力來(lái)提高垂直功率器件（如高壓肖特基勢(shì)壘和 SiC MOSFET）所需的 SiC 襯底和六方 SiC 外延的質(zhì)量。研究活動(dòng)在接下來(lái)的十年中繼續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)生了越來(lái)越有希望的結(jié)果。

英飛凌于 2001 年發(fā)布了第一款商用 SiC 器件，肖特基二極管。第一款器件出現(xiàn)了一些現(xiàn)場(chǎng)故障，主要與器件架構(gòu)和材料質(zhì)量有關(guān)。結(jié)勢(shì)壘肖特基 （JBS） 二極管架構(gòu)的引入有助于實(shí)現(xiàn)更好的峰值電場(chǎng)分布。研究人員還改進(jìn)了基板和外延的質(zhì)量。 JBS 架構(gòu)隨后演變?yōu)楹喜⒌?PN/肖特基結(jié)構(gòu) （MPS），它結(jié)合了對(duì)肖特基勢(shì)壘的電場(chǎng)屏蔽和通過(guò)引入真正的少數(shù)載流子注入增加的浪涌電流能力。今天的 SiC 二極管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了前所未有的可靠性，總故障時(shí)間 （FIT） 率比硅基功率二極管低 10% 到 15%。

碳化硅 MOSFET 的演變

第一個(gè) SiC 功率晶體管是 SemiSouth 于 2008 年向市場(chǎng)發(fā)布的 1，200-V 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （JFET）。之所以選擇 JFET 方法是因?yàn)殡p極結(jié)型晶體管 （BJT） 和 MOSFET 替代品被認(rèn)為無(wú)法支持碳化硅技術(shù)當(dāng)時(shí)足夠。BJT 解決方案由于需要高開關(guān)電流、顯著的功率損耗以及該技術(shù)對(duì)雙極退化的敏感性而被廢棄。通常，JFET 通常位于晶體管上，但 SemiSouth 主要出于安全原因選擇了常關(guān) JFET。盡管該設(shè)備在效率、功率密度和可靠性方面取得了高性能結(jié)果，但事實(shí)證明它很難大批量生產(chǎn)。

接下來(lái)是 SiC MOSFET，由于其與硅 IGBT 的相似性，因此更易于生產(chǎn)。盡管如此，SiC MOSFET 存在一些問題，主要與柵極氧化物有關(guān)。早在 1970 年代，一些研究人員就注意到純 SiC 和生長(zhǎng)的 SiO2之間的過(guò)渡區(qū)受到氧化物陷阱的影響，這抑制了載流子遷移率并導(dǎo)致閾值電壓不穩(wěn)定。1990 年代末和 2000 年代初進(jìn)行的研究調(diào)查了該問題并提出了減輕負(fù)面影響的策略。在潮濕環(huán)境中的氧化，使用 H2O 作為氧化劑而不是干燥的 O2，產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。

在潮濕環(huán)境中的氧化，使用 H2O 作為氧化劑而不是干燥的 O2，產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。使用離軸基板、氮化以及最終采用幾乎沒有設(shè)備殺傷微管的 150 毫米（6 英寸）晶圓取得了進(jìn)一步的進(jìn)步。

隨著制造商將注意力轉(zhuǎn)向開發(fā)更多更高性能的器件，碳化硅 MOSFET 研究的已發(fā)表進(jìn)展略有下降，但預(yù)計(jì)碳化硅 MOSFET 閾值電壓穩(wěn)定性、工藝篩選和柵極氧化物可靠性將進(jìn)一步改進(jìn)（圖 1）。

碳化硅MOSFET質(zhì)量

在過(guò)去幾年中，多家供應(yīng)商發(fā)布了 1，200-V 碳化硅 MOSFET，具有高溝道遷移率、長(zhǎng)氧化物壽命和高閾值電壓穩(wěn)定性。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） 的研究人員利用瞬態(tài)介質(zhì)擊穿 （TDDB） 等壽命加速技術(shù)，預(yù)測(cè)一家主要制造商的 SiC MOS 技術(shù)的氧化物壽命將超過(guò) 100 年，甚至結(jié)溫高于 200°C。

圖 2：在 175°C 下進(jìn)行的 HTGB 壓力測(cè)試，具有正負(fù) VGS

還應(yīng)注意的是，雖然硅 MOS 中通常存在與溫度相關(guān)的加速因子，但 NIST 研究人員尚未觀察到 SiC MOS 的相同現(xiàn)象。圖 2 顯示了在 175°C 下對(duì)來(lái)自不同晶圓批次的多個(gè)器件進(jìn)行的高溫柵極偏置 （HTGB） 應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果。閾值電壓穩(wěn)定性很明顯，并且沒有觀察到明顯的偏移。

審核編輯：郭婷