SiC MOS卓越性能的材料本源

來源：凌銳半導體

SiC MOS憑借其性能優(yōu)勢為越來越多的行業(yè)，如儲能，充電樁，光伏逆變器所采用。特別是在采用800V電池系統(tǒng)的新能源車中1200V SiC MOS是主驅(qū)逆變器和車載充電的最佳選擇。本文通過對比Si，4H-SiC和GaN的材料特性，系統(tǒng)的闡述SiC MOS卓越性能的材料本源。

參見圖一對于平面MOS來說其導通電阻主要由三部分組成，即溝道電阻（Rch）, 器件外延層電阻 （Repi）和襯底電阻Rsub。其中器件外延層電阻和器件耐壓有著強相關的關系。表一列出30V，100V和600V Si 平面MOS Rch，Repi和Rsub的相對貢獻。針對30V MOS Rch，Repi和Rsub三者各自占比在30%-35%之間。隨著器件耐壓增加，器件外延層厚度需要增加與此同時需要降低外延層的摻雜濃度，從而使得器件能承受目標耐壓；這導致器件外延層電阻貢獻顯著增加。以600V Si平面MOS為例，外延層電阻Repi對整個器件的電阻貢獻達到96%。因此如何優(yōu)化器件減少導通電阻一直是Si基功率器件發(fā)展的主旋律之一。

針對300V以下的Si MOS，工業(yè)界首先商業(yè)化Si 溝槽型MOS (Si Trench MOS) 用來降低器件的導通電阻，在此基礎上行業(yè)進一步開發(fā)出Si SGT MOS (Si Shield Gate Trench MOS) 來進一步降低導通電阻和開關損耗。目前業(yè)界300V以下的高性能MOS基本為Si SGT MOS。針對500V – 950V的功率器件，陳星弼院士提出的超級結(jié)MOS （SJ MOS）為英飛凌以CoolMOS品牌發(fā)揚光大且相應技術平臺已經(jīng)發(fā)展到第八代。Si SJ MOS 能顯著降低器件的開關損耗和導通損耗，已廣泛應用在服務器電源，通訊電源，和PC電源等各類電源應用中。與此同時采用IGBT結(jié)構(gòu)的功率器件在500V - 950V電壓段也有自己的一席之地。相對 Si SJ MOS, Si IGBT開關損耗大但成本低，主要用在低頻類（電機）應用中。隨著IGBT 技術的不斷演進，Si IGBT的開關損耗得到顯著的改進，已逐步滲透進入OBC，充電樁等高效率電源類應用。針對1200V - 6500V電壓等級的功率器件，采用IGBT結(jié)構(gòu)是Si 基功率器件的第一選擇。

采用4H-SiC作為制造功率器件的材料則徹底打破了這種格局，4H-SiC相對Si的特有材料屬性使得SiC MOS成為新型功率器件的最佳選擇之一。表二對比了Si, 4H-SiC和 GaN的材料特性，相對于GaN，4-SiC的最大優(yōu)勢是：在4H-SiC上可以直接通過熱氧化（thermal oxidation）生長SiO2（優(yōu)勢一）和散熱能力強（優(yōu)勢二）。優(yōu)勢一使得用SiC作為材料制造MOS結(jié)構(gòu)的功率器件成為可能，且制造SiC MOS所用工藝可以和現(xiàn)有大部分Si工藝相兼容。SiC 散熱能力 (熱導率) 是Si和GaN的3.3和2.5倍左右（優(yōu)勢二），這讓SiC 功率器件特別較適合大功率應用。4H-SiC電子漂移飽和速度Vsat為Si材料的2.2倍，讓SiC器件可以更快進行開關，且在同樣時間內(nèi)流過單位面積的電流更多，從而顯著降低導通電阻。

4H-SiC相對于Si材料的另外兩大優(yōu)勢為：Ec和Eg 分別是Si的9.3和2.9倍。這兩大優(yōu)勢讓SiC MOS 特別適合高功率，高溫和高頻應用。本文以下篇幅重點介紹Eg和Ec對功率器件的意義和對應用的價值。

Ec對功率器件和應用的價值

參見圖一對于N型MOS來說，其Body為P型摻雜 (P body)，外延層為N型摻雜（N EPI）。P body和N EPI形成MOS體二級管。參見圖二(a) 和 (b)，MOS關閉時P body區(qū)域形成很薄的帶負電的耗盡層，N EPI形成帶正電的耗盡層, N EPI區(qū)域的耗盡層厚度遠大于P body 區(qū)域的耗盡層。PN耗盡層形成的電場分布參見圖二(c)，最大電場介于PN結(jié)界面，三角形面積的大小代表器件承受的電壓，最大電場不能超過材料的臨界擊穿電場Ec。由此可見，器件的耐壓基本上由Ec和在器件外延層形成的耗盡層厚度ddepletion決定。根據(jù)半導體器件物理，有公式1-3：

在公式（1）-（3）中，q為電子電荷，ε0為真空介電常數(shù)εr為材料相對介電常數(shù)，un為材料的電子遷移率，Ec為材料的臨界擊穿電場，Vbr為器件耐壓。Si和SiC的相對介電常數(shù)比較接近分別為11.8和 9.7-10.2，Si和SiC的電子遷移率分別為1400cm2/Vs和1000-1200cm2/Vs，而SiC 的Ec是硅材料的9.3倍。參見公式（1）和（3），在同樣的器件耐壓下采用SiC做為器件外延層可顯著增加器件外延層的摻雜濃度，與此同時大幅降低器件外延層的厚度。這讓SiC平面MOS相對Si平面MOS和 Si SJ MOS有著顯著的Rsp優(yōu)勢。

圖三對比了Si平面MOS， Si SJ MOS，和SiC MOS Rsp與器件耐壓的關系。由于SiC材料的Ec特性，采用平面MOS 結(jié)構(gòu)的SiC MOS Rsp性能遠遠優(yōu)于Si平面MOS和SJ MOS，且SiC MOS性能整體優(yōu)于Si SJ MOS。以600V/650V MOS為例, 采用SiC MOS方案可以將3-4kW服務器電源整體效率提升至少0.5%。隨著AI的普及，AI服務器是傳統(tǒng)服務器用電量的3倍以上，采用SiC MOS是滿足AI服務器能效要求的最佳選擇。SiC MOS 體二級管的Qrr是Si快恢復系列SJ MOS Qrr 的10% 或更小。這使得SiC MOS體二級管非常皮實（Body diode robustness），可以用在軟開關和硬開關拓撲上。

IGBT關斷時存在拖尾電流，MOS則不存在。由于采用MOS而非IGBT結(jié)構(gòu)，SiC MOS開關性能顯著優(yōu)于Si IGBT。以1200V SiC MOS和 Si IGBT 來說，SiC MOS的開關損耗相對Si IGBT 可降低近70%, 整體性能提升60%以上。這對實際應用有著具體的經(jīng)濟價值，如采用SiC MOS作為主驅(qū)控制器功率器件，可將整車續(xù)航里程提升近10%。在充電樁和儲能應用采用SiC MOS可提升系統(tǒng)效率近2%，整機功率密度提升近30%。

Eg對功率器件和應用的價值

從材料學的角度沒有摻雜的半導體為本征半導體，本征半導體不導電，其本征電子密度和空穴密度（本征載流子密度）相同，且和溫度及材料禁帶寬度有著強相關的關系。本征半導體的電子和空穴濃度（既本征載流子濃度）為：

在公式（4）中，Eg為材料禁帶寬度，C和為常數(shù)，[K]表示溫度單位開爾文。當對本征半導體進行N型（或P型）摻雜時，自由電子濃度和自由空穴濃度不再相等，本征半導體變成N型(電子導電)或P型（空穴導電）半導體進行導電。正常工作時載流子濃度為N或P型摻雜濃度（Nd/Na）, 且遠大于材料的本征載流子密度。

任何功率半導體器件都有穩(wěn)定的工作溫度區(qū)間，在這個穩(wěn)定工作區(qū)間內(nèi)材料的載流子密度為材料的摻雜濃度。半導體器件的穩(wěn)定工作區(qū)間與溫度以及材料禁帶寬度有著強相關的關系。參見圖4(a），在低溫時半導體摻雜原子的電子（空穴）無法得到足夠的能量而離開摻雜原子進行導電；在此情況下自由電子密度和自由空穴密度相同，材料為絕緣體。當溫度足夠高時，摻雜原子失去電子或空穴，載流子密度為摻雜密度。隨著溫度的升高，本征載流子密度增加，在某個溫度范圍內(nèi)本征載流子密度遠低于材料摻雜密度，本征載流子的貢獻可忽略不計半導體穩(wěn)定工作。而當溫度足夠高時，本征載流子密度接近或大于摻雜密度，半導體不再能夠穩(wěn)定工作。

圖4（b）顯示了SiC和Si兩種材料本征載流子密度隨溫度的變化, 由于SiC Eg是Si的2.9倍，這使得SiC材料本征載流子密度在同樣溫度下遠遠低于Si材料的本征載流子密度。在不考慮封裝等外部因素的影響下，N型Si材料在接近400攝氏度時。本征載流子密度已經(jīng)和摻雜密度接近，器件無法正常工作。而對SIC材料來說，即使是溫度達到1000攝氏度時，本征載流子密度還是遠遠低于材料摻雜濃度，SiC器件還能正常工作。

綜上所述，SiC材料的Ec特性（Ec是Si的9.3倍）使得耐壓等級不低于600V 的SiC平面MOS有著極優(yōu)的導通電阻，在SiC上能夠熱氧化生長SiO2讓大規(guī)模制造基于SiC材料的 MOS成為可能；其Eg特性（Eg是Si的2.9倍）讓SiC MOS 在高溫應用中能穩(wěn)定工作；而其卓越的導熱特性（導熱率是Si的3.3倍）讓SiC MOS非常適合大功率應用；SiC電子遷移飽和速度特性（Vsat是Si的2.2倍）進一步助力SiC MOS在高頻上的應用，這些材料特性的加持使得SiC MOS在高頻，大功率，和高溫應用中有著得天獨厚的優(yōu)勢。

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審核編輯 黃宇