SiC IGBT的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)分析

記得不久前我們討論過SiC IGBT為什么沒有成為當(dāng)下流行的IGBT器件，當(dāng)時(shí)我們突出的一個(gè)因素是成本。最近，看到一篇文章，對(duì)于SiC IGBT的制造、特性和應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的概述，下面基于這篇文章我們重新來聊聊SiC IGBT--一個(gè)是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的翹楚，一個(gè)代表著功率器件的最高水平，應(yīng)該有怎么樣的趨勢(shì)？

我們之前聊了太多關(guān)于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），其結(jié)合MOS的高輸入阻抗和雙極型期間的電流密度的特性，暫時(shí)成為當(dāng)下最高水平的功率器件。而 傳統(tǒng)的Si IGBT最高電壓據(jù)說只能達(dá)到8.4KV ，接近Si器件的極限，但在高壓和大電流的應(yīng)用中依舊能夠采用器件串并聯(lián)，或者多電平的拓?fù)鋪韽浹a(bǔ)電壓上限。但是，頻率和工作溫度卻限制了高壓大功率領(lǐng)域中Si IGBT的發(fā)展，同時(shí)減少器件數(shù)量，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也是發(fā)展趨勢(shì)，需要器件新的突破。而第三代寬禁帶半導(dǎo)體SiC的出現(xiàn)， 其在高壓、高溫、高功率的領(lǐng)域表現(xiàn)出更強(qiáng)的競爭力。 （此類領(lǐng)域其實(shí)并不太關(guān)注我們之前所說的“成本”這一因素）。

基于Si IGBT的優(yōu)點(diǎn)，SiC IGBT同樣也結(jié)合了SiC MOSFTE和SiC晶體管的優(yōu)點(diǎn)，即SiC界的最高水平（當(dāng)然，未來皆有可能，不局限于此）。 但是， 對(duì)于SiC IGBT，SiC/SiO2界面特性，電磁干擾和短路耐受能力等卻限制了它的使用。 任何新事物出現(xiàn)在大眾視野之前，很多都是經(jīng)歷過一些發(fā)展的，其實(shí)早在1996年就有了第一個(gè)6H-SiC IGBT。

SiC IGBT的發(fā)展至少也有30年了，大眾視野中很少會(huì)提及到SiC IGBT產(chǎn)品，并不是沒有，只是太多事情是我們目不可及的。就目前而言，SiC器件的制成還有著很多難點(diǎn)需要突破和解決，下面我們就來看看SiC IGBT的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)。

01制備的挑戰(zhàn)

n溝道SiC IGBT的制備

從SiC IGBT的發(fā)展軸線圖，我們可以看到SiC n-IGBT有著優(yōu)的動(dòng)靜態(tài)性能，其需要高摻雜p型集電極作為空穴注入層。然后商用p型襯底的電阻率很高，質(zhì)量較劣，這限制了SiC n-IGBT的性能發(fā)揮。而在獨(dú)立技術(shù)提出之后， 通過在n型襯底上生長出n-和p+來作為漂移層和集電極，使得n-IGBT得到進(jìn)一步發(fā)展 。

作為 底層的p型外延層需要足夠的厚度以及較高的摻雜濃度 來保證機(jī)械強(qiáng)度和串聯(lián)寄生電阻。但是 在較厚的p型外延層中，摻雜濃度受薄歐姆接觸的形成、生長速率、表面粗糙度和生長缺陷的限制 。同時(shí)，由于SiC的硬度和化學(xué)惰性，使得n型襯底很難去除，這也需要進(jìn)一步的完善工藝。

缺陷，以及壽命增強(qiáng)

SiC晶片的質(zhì)量直接決定了SiC IGBT器件的性能、可靠性、穩(wěn)定性和產(chǎn)率，間接地影響制造成本。 SiC晶圓中的缺陷主要包括材料固有的缺陷，外延生長引起的結(jié)構(gòu)缺陷，如微管、位錯(cuò)、夾雜和堆積等 （在之前我們聊Si基制造工藝時(shí)有涉及）。通過優(yōu)化生長工藝和生長后處理工藝，使得這些缺陷被降到了合理的范圍，這使得低壓4H-SiC MOSFET器件得到商業(yè)化。而對(duì)于SiC IGBT來說，上述缺陷作為復(fù)合中心，大大降低了載流子的壽命， 高壓SiC雙極型器件需要很長的載流子壽命來降低導(dǎo)通壓降 ，此外 ，載流子壽命也主導(dǎo)這導(dǎo)通壓降和開關(guān)速度之間的折衷，所以需要進(jìn)行壽命增強(qiáng)。

可以通過C+離子注入/退火、熱氧化/退火或者是優(yōu)化生長條件來降低影響載流子壽命的缺陷密度，但是這相對(duì)于10kV以上的SiC IGBT來說，這些措施還是足以滿足，除此之外，壽命分布的不均勻性，不同缺陷密度之間的權(quán)衡，生長后產(chǎn)生的目標(biāo)缺陷和新缺陷之間的權(quán)衡等等，都是阻礙SiC IGBT商業(yè)化的因素。

大尺寸、高質(zhì)量材料和低缺陷密度外延生長工藝都是實(shí)現(xiàn)SiC IGBT的關(guān)鍵 。

SiC/SiO 2 界面性能

SiC 相比于Si IGBT的性能更優(yōu)，但是還是使用SiO2來作為柵極的氧化層，帶來了SiC/SiO2界面的新問題。SiC IGBT可以像Si基的一樣較容易形成SiO2層，但是 在氧化的過程中，除了近界面陷阱外，還會(huì)引入額外的C簇，使得SiC/SiO2界面陷阱密度遠(yuǎn)大于Si/SiO2，導(dǎo)致SiC MOS的溝道遷移率大大降低。 引入氮是降低后退火中界面陷阱密度的有效方法，但是氮的引入造成了新的缺陷，造成了可靠性的問題。所以為了獲得高質(zhì)量的SiC/SiO2界面，就 需要完全去除剩余的C原子和近界面陷阱。

還有個(gè)主要的問題就是 氧化層的高電場 。在4H-SiC IGBT中，SiO2中的電場是SiC中的2.5倍，與Si IGBT相比，SiC IGBT中較高的臨界電場使得SiO2的電場更高。有些研究使用高介電常數(shù)的介電體代替SiO2來降低柵絕緣層和SiC之間的電場比，但是新介質(zhì)和SiC界面帶偏置較低，其界面缺陷密度大，漏電流較大，雖然一定程度上提高了溝道遷移率，但是和現(xiàn)有大規(guī)模制造的兼容性以及在高壓工況下的長期穩(wěn)定性難以處理。

終端技術(shù)

為了保證SiC IGBT的高壓，可靠和堅(jiān)固的終端是必須的，終端能夠保證器件能夠支持大于90%的整體擊穿電壓。 結(jié)端擴(kuò)展（JTE） 和 場限環(huán)（FLRs） 是目前SiC IGBT的兩種主要終端技術(shù)。 為了緩解邊緣電場效應(yīng)，SiC IGBT的終止長度要比Si基的長很多，終端面積占了整個(gè)芯片面積的50%以上，導(dǎo)致芯片面積較大。

精確控制注入劑量和優(yōu)越的面積利用是JTE技術(shù)實(shí)現(xiàn)均勻電場的必要條件，因此JTE主要用于低壓器件。而FLR技術(shù)主要用于高壓器件，但其在高壓器件中需要消耗很大的面積。針對(duì)這一問題， 提出了線性或區(qū)域優(yōu)化距離的FLRs技術(shù)，縮短了30%的終止長度，增加了23%的擊穿電壓；以及JTE和FLR結(jié)合的JTE環(huán)技術(shù)，在相同的擊穿電壓減小了20~30%的終端面積。

封裝技術(shù)

目前，SiC IGBT仍封裝在線綁定的模塊中，綁定線失效和焊料的失效是常見的壽命限制因素。此外， 超高壓帶來的電壓擊穿和局部放電給絕緣材料帶來了更大的挑戰(zhàn) 。導(dǎo)體、介電體和封裝體間的交點(diǎn)是暴露于高電場下的薄弱點(diǎn)，因此需要選用高擊穿電場的材料、光滑的電極及電極間隙，這些都需要大量的研究，同時(shí)絕緣層介電常數(shù)高導(dǎo)致的額外位移電流，處理的復(fù)雜性和模塊尺寸增大等問題也是挑戰(zhàn)。

另外， 提高模塊的耐溫能力，降低模塊的熱阻等也是尤為重要的 ，這些都還需要不斷的創(chuàng)新。目前的納米銀燒結(jié)，雙面冷卻等技術(shù)可能能夠解決部分SiC IGBT模塊的需求，但還不足夠。

新的IGBT結(jié)構(gòu)

盡管SiC IGBT在阻斷電壓、導(dǎo)熱系數(shù)和開關(guān)速度等方面優(yōu)于Si IGBT，但是傳統(tǒng)的IGBT結(jié)構(gòu)一定程度上限制了SiC材料性能的發(fā)揮。為了提高SiC IGBT的電氣性能和可靠性，新型IGBT結(jié)構(gòu)在正在不斷的發(fā)展。

02特性和驅(qū)動(dòng)

SiC的寬禁帶和極高的電壓等級(jí)使得其IGBT性能與Si基IGBT有著差別，主要就是動(dòng)靜態(tài)特性。

靜態(tài)特性

正向特性是靜態(tài)特性的重要組成部分，也就是導(dǎo)通特性，可以用正向?qū)娮鑂on來描述。 SiC IGBT的Ron一般低于Si IGBT和SiC MOSFET，主要是因?yàn)槠淦茀^(qū)厚度小，電導(dǎo)調(diào)制更短導(dǎo)致的。 另外p溝道的SiC IGBT的正向特性要比n溝道來的差，所以n溝道SiC IGBT是較優(yōu)的。

動(dòng)態(tài)特性

想較為直觀的了解IGBT的動(dòng)態(tài)特性，雙脈沖測試可以說是較為有效的手段。與Si IGBT類似，SiC IGBT由于其材料的特性，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)參數(shù)有所不同。

門極驅(qū)動(dòng)

SiC IGBT的驅(qū)動(dòng)和Si基的在整體上是差不多的， 需要考慮到 高絕緣性能、低耦合電容、低成本、尺寸、高效率和高可靠性等因素。 目前仍延用Si IGBT或者M(jìn)OSFET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，只是細(xì)節(jié)可能會(huì)有所不同。

目前，第三代寬禁帶半導(dǎo)體的熱潮已經(jīng)開始蔓延，不管是SiC還是GaN，都在不斷的發(fā)展，各種類型的器件也都在不斷推出。但SiC材料的功率器件，還是MOSFET較為常見，也許只有固定的高壓，大電流，大功率的應(yīng)用才會(huì)涉及到SiC IGBT。當(dāng)然，相信未來SiC將會(huì)出現(xiàn)在越來越多的傳統(tǒng)Si基器件。
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