SiC功率器件的主要特點(diǎn)

碳化硅（SiC）功率器件在高擊穿電壓、低功耗和快速開(kāi)關(guān)方面明顯優(yōu)于成熟的硅（Si）器件。本文簡(jiǎn)要介紹了SiC功率器件的主要特點(diǎn)，然后介紹了SiC pn結(jié)擊穿現(xiàn)象的研究工作以及考慮能帶結(jié)構(gòu)的相關(guān)討論。接下來(lái)，介紹了SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（最重要的單極器件）的最新進(jìn)展，重點(diǎn)是SiO上通道遷移率的改善2/碳化硅接口。介紹了用于超高壓（>10 kV）應(yīng)用的SiC雙極器件的開(kāi)發(fā)，例如引腳二極管和絕緣柵雙極晶體管，并展示了提高載流子壽命的效果。還描述了大規(guī)模生產(chǎn)的現(xiàn)狀以及SiC功率器件如何為節(jié)能做出貢獻(xiàn)。

關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)，SiC可以以許多（超過(guò)100種）不同的形式結(jié)晶，稱(chēng)為“多型”，其中Si-C對(duì)沿一個(gè)方向的堆疊序列因不同的多型而異。21)對(duì)于電子應(yīng)用，我們必須確定最合適的SiC多型，并且必須生長(zhǎng)出高質(zhì)量和大的單晶，不含外來(lái)多型的夾雜物。SiC的早期發(fā)展致力于SiC體積和外延生長(zhǎng)中的多型控制。22)在1990年代初期，專(zhuān)門(mén)研究了3C-SiC（立方相）和6H-SiC（六方相），第一個(gè)1 kV SiC肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）是用6H-SiC制造的。23)1994年，人們發(fā)現(xiàn)4H-SiC多型（另一個(gè)六方相）遠(yuǎn)優(yōu)于3C-SiC和6H-SiC，具有更高的電子遷移率和更寬的帶隙。24–26)在這一發(fā)現(xiàn)之后，4H-SiC已被專(zhuān)門(mén)研究和生產(chǎn)用于功率器件應(yīng)用。8)在本文中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，4H-SiC表示為SiC。

基于以日本、美國(guó)和歐洲為中心對(duì)生長(zhǎng)、材料特性和器件加工技術(shù)的廣泛研究，SiC SBD和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的生產(chǎn)已經(jīng)開(kāi)始。然而，SiC功率MOSFET的性能仍遠(yuǎn)未達(dá)到材料的全部潛力。此外，許多重要的內(nèi)在特性和缺陷的性質(zhì)是未知的。對(duì)SiC中載流子傳輸、載流子復(fù)合和擊穿現(xiàn)象的物理理解也很差。這種材料獨(dú)特的六方晶體結(jié)構(gòu)、寬帶隙和復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)使得表征物理性質(zhì)和適當(dāng)解釋采集的數(shù)據(jù)變得非常困難。由于材料的高機(jī)械硬度和化學(xué)惰性，制備適當(dāng)?shù)臉悠方Y(jié)構(gòu)或器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征也很困難。

SiC功率器件的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。圖例.1.1.數(shù)字圖1（a）1（a）和（b）分別顯示了肖特基二極管和PN二極管（通常稱(chēng)為“PN二極管”），其中金屬陽(yáng)極或p陽(yáng)極形成在相對(duì)較厚的n層（電壓阻斷區(qū)）上，該n層通過(guò)其歐姆接觸連接到底部低電阻率n基板。當(dāng)正電壓施加到陽(yáng)極時(shí)，這些二極管必須允許電流以低導(dǎo)通電阻平穩(wěn)流動(dòng)（正向偏置條件），而當(dāng)負(fù)電壓施加到陽(yáng)極時(shí)，它們必須完全阻斷電流（反向偏置條件）。當(dāng)施加高負(fù)電壓時(shí)，為了完全阻斷硅基二極管中的電流，需要相對(duì)較厚的n層將二極管內(nèi)的電場(chǎng)降低到其臨界值以下，以防止擊穿現(xiàn)象（或電流的發(fā)生）。在反向偏置下?lián)舸r(shí)，Si二極管內(nèi)的電場(chǎng)如圖中的藍(lán)色三角形所示。+++圖22作為與結(jié)點(diǎn)距離的函數(shù)，即陽(yáng)極和n層之間的界面。對(duì)于SiC二極管來(lái)說(shuō)，情況則完全不同，因?yàn)镾iC維持的電場(chǎng)（擊穿場(chǎng)或臨界電場(chǎng)）要高得多，大約是Si的十倍。因此，SiC二極管中的n層可以是Si二極管的十倍左右，以實(shí)現(xiàn)相同的擊穿電壓，如圖中的紅色三角形所示。圖例.2.2.這里是圖中直角三角形的面積。圖22對(duì)應(yīng)于擊穿電壓。此外，n層的摻雜密度與圖中圖的斜率成正比。圖2，2，使用SiC可以增加100倍。由于n層更薄且摻雜量更大，在給定擊穿電壓下，SiC器件的n層電阻比Si器件低約400-800倍。這就是為什么SiC器件表現(xiàn)出低得多的導(dǎo)通電阻（導(dǎo)通電阻）的主要原因，從而在器件運(yùn)行期間顯著降低焦耳熱。

通常，功率器件必須在關(guān)斷狀態(tài)下維持相當(dāng)高的電壓。在反向偏置二極管和關(guān)斷晶體管中，電流通常保持得可以忽略不計(jì)，但如果施加的電壓超過(guò)所謂的擊穿電壓，電流就會(huì)增加到相當(dāng)大的水平。對(duì)于輕摻雜半導(dǎo)體，這種擊穿過(guò)程是由載流子的雪崩現(xiàn)象引起的，而在重?fù)诫s材料中，它是由齊納隧穿過(guò)程引起的。為了闡明SiC中的這些擊穿過(guò)程，對(duì)各種pn二極管進(jìn)行了系統(tǒng)研究，如下所述。請(qǐng)注意，SiC能帶結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和各向異性方面以及位錯(cuò)可能會(huì)影響擊穿過(guò)程。

在功率器件中，MOSFET和SBD等單極器件是理想的，因?yàn)閱螛O器件具有快速和低損耗的開(kāi)關(guān)特性，并且更容易制造。在單極器件中，n層（漂移層或阻斷層）的電阻由厚度和供體密度決定，因?yàn)橹挥杏幸鈸诫s的供體提供的電子才會(huì)產(chǎn)生電流。然而，當(dāng)擊穿電壓設(shè)計(jì)為超過(guò)一定值時(shí)，n層電阻（漂移電阻）變得高得令人無(wú)法接受，這在圖中顯示為材料極限。圖例.3.3.在硅功率器件中，n層電阻變得非常高（>50 mΩcm2）當(dāng)擊穿電壓高于600–800 V時(shí)。對(duì)于高壓器件，利用從p區(qū)到厚n層的少數(shù)載流子注入（雙極性操作），這導(dǎo)致n層電阻的顯著降低，因?yàn)殡娮雍涂昭ǖ拿芏榷几哂诠w密度，都會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生影響。因此，IGBT等雙極器件用于高壓應(yīng)用。

硅功率器件的一個(gè)固有限制是超高壓阻斷能力。當(dāng)擊穿電壓超過(guò)10 kV時(shí)，n層所需的厚度和供體密度變?yōu)榧s1.2 mm和1×1013厘米?3分別。這種晶片難以生產(chǎn)，所需的供體密度接近120°C時(shí)Si的固有載流子密度。與硅相比，超高壓SiC器件的制造要容易得多，因?yàn)榕R界電場(chǎng)高出約十倍。例如，10 kV SiC器件所需的n層的厚度和供體密度約為80μm和8×1014厘米?3分別。然而，即使使用SiC，這種厚且輕摻雜的n層的電阻對(duì)于這種超高壓?jiǎn)螛O器件也會(huì)變得很高。因此，SiC雙極器件對(duì)10 kV（或更高）應(yīng)用具有吸引力。

碳化硅功率器件的應(yīng)用！

通過(guò)SiC材料和器件技術(shù)的快速進(jìn)步，SiC器件因其高性能和可靠性而成為寬帶隙半導(dǎo)體功率器件中最成熟的。數(shù)字圖2424原理圖顯示了Si、SiC、GaN和Ga器件阻斷電壓方面的主要應(yīng)用范圍2O3功率開(kāi)關(guān)器件（未顯示二極管）。關(guān)于硅功率器件，功率MOSFET主要采用在800 V以下的阻斷電壓范圍內(nèi)，而IGBT則在高于600 V的電壓范圍內(nèi)使用。28)硅晶閘管主要在非常高的電壓范圍內(nèi)使用。預(yù)計(jì)SiC功率MOSFET將取代阻斷電壓范圍為600至6500 V的Si器件，因?yàn)樗鼈兙哂械蛯?dǎo)通電阻和快速開(kāi)關(guān)。然而，低于500 V，SiC器件將很難與Si競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)檫@種低電壓范圍內(nèi)的Si功率MOSFET表現(xiàn)出高性能，并且通常與柵極驅(qū)動(dòng)電路和傳感器集成在一起。SiC IGBT在5-8 kV以上的極高阻斷電壓范圍內(nèi)很有前景。

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審核編輯 ：李倩