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        高壓大功率碳化硅電力電子器件研制進(jìn)展

        放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2021-08-27 07:41:27    作者:本站原創(chuàng)    瀏覽次數(shù):15
        導(dǎo)讀

        碳化硅電力電子器件已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究和產(chǎn)業(yè)化熱門(mén),在一些應(yīng)用領(lǐng)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(guó)際上碳化硅電力電子器件技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,展示了寬禁帶半導(dǎo)體電力電子

        碳化硅電力電子器件已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究和產(chǎn)業(yè)化熱門(mén),在一些應(yīng)用領(lǐng)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(guó)際上碳化硅電力電子器件技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,展示了寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在該領(lǐng)域取得的最新技術(shù)進(jìn)展。

        碳化硅(SiC)作為繼硅和砷化鎵之后發(fā)展起來(lái)的寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體材料,已經(jīng)顯現(xiàn)出由其材料特性預(yù)測(cè)的性能優(yōu)勢(shì),部分SiC器件成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,在一些重要的能源領(lǐng)域開(kāi)始逐步取代硅基電力電子器件。

        SiC電力電子器件優(yōu)勢(shì)

        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(shù)的發(fā)展主題。

        在2021年之前的50年中,硅基電力電子器件技術(shù)日益成熟,產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷壯大,在能源領(lǐng)域發(fā)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(xù)支撐技術(shù)和產(chǎn)業(yè)快速前進(jìn)的要求。

        進(jìn)入21世紀(jì)后,尤其是在2010-2021年,諸多新興的半導(dǎo)體材料成為工業(yè)界的熱門(mén),憑借優(yōu)越的材料特性為電力電子器件技術(shù)帶來(lái)了新的發(fā)展動(dòng)力。

        下表列出了硅和各類新興半導(dǎo)體材料的特性,其中4H-SiC和氮化鎵(GaN)屬于寬禁帶半導(dǎo)體,而氧化鎵和金剛石為超寬禁帶半導(dǎo)體

        決定電力電子器件特性的主要材料參數(shù)包括禁帶寬度擊穿場(chǎng)強(qiáng)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(yōu)勢(shì)非常顯著,在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界越來(lái)越受重視,其中以SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體的技術(shù)成熟度較高,在一些應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)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(yuǎn)低于硅,熱導(dǎo)率也達(dá)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(chǎng)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(dá)到10 kV甚至20 kV以上。

        高擊穿電場(chǎng)使器件具有厚度更薄、摻雜濃度更高的漂移層,能夠?qū)崿F(xiàn)更低的比導(dǎo)通電阻更高的導(dǎo)通電流密度

        作為單極型器件的SiC金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET),其比導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)低于同電壓等級(jí)硅MOSFET,最高擊穿電壓可超越硅絕緣柵雙極型晶體管(IGBT),同時(shí)具有低導(dǎo)通損耗低開(kāi)關(guān)損耗,從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率更高的功率密度

        國(guó)際進(jìn)展

        在眾多SiC電力電子器件中,SiC肖特基二極管是商業(yè)化程度最高的,通常采用結(jié)勢(shì)壘肖特基(JBS)或者并和PIN肖特基(MPS)結(jié)構(gòu),具有反向漏電低抗電流過(guò)沖能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

        SiC肖特基二極管在600~3300 V電壓范圍內(nèi)具備優(yōu)越的性能和可靠性,已形成成熟的產(chǎn)品技術(shù),廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源光伏發(fā)電新能源汽車等領(lǐng)域。

        英飛凌公司發(fā)布的第六代SiC MPS二極管采用薄片低勢(shì)壘等先進(jìn)技術(shù),降低導(dǎo)通電壓,提高導(dǎo)通電流密度,進(jìn)一步提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

        更高電壓的應(yīng)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(yàn)證

        SiC MOSFET 是最為成熟、應(yīng)用最廣的SiC功率開(kāi)關(guān)器件,具有高開(kāi)關(guān)速度低損耗耐高溫等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是替代硅IGBT的最佳選擇。

        SiC材料可以通過(guò)熱氧化工藝在表面生長(zhǎng)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(jìn)而使器件的導(dǎo)通電阻增加。

        同時(shí),SiC的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度更高且介電常數(shù)是SiO2的2.5倍,容易出現(xiàn)由于SiO2內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)高而引發(fā)器件失效等可靠性問(wèn)題

        因此,必須優(yōu)化設(shè)計(jì)SiC MOSFET的元胞結(jié)構(gòu)終端結(jié)構(gòu),同時(shí)深入研究柵氧介質(zhì)的形成工藝。

        SiC功率MOSFET通常采用平面結(jié)構(gòu)或者溝槽結(jié)構(gòu),在650~3300 V電壓范圍內(nèi)已形成成熟的產(chǎn)品技術(shù)。

        SiC功率MOSFET器件結(jié)構(gòu)

        SiC MOSFET溝道遷移率低的問(wèn)題仍然比較突出,對(duì)于中低壓器件(650~1700 V)溝道電阻占總導(dǎo)通電阻的比例較高。

        羅姆半導(dǎo)體集團(tuán)和英飛凌科技公司采用溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET,沒(méi)有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)區(qū),具有更高的溝道密度,同時(shí)溝道所在SiC晶面具有較高的溝道遷移率,因此能夠?qū)崿F(xiàn)更低的比導(dǎo)通電阻

        而Cree和意法半導(dǎo)體兩家公司采用平面結(jié)構(gòu)SiC MOSFET,通過(guò)優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了性能和可靠性俱佳的產(chǎn)品技術(shù),得到了廣泛的應(yīng)用。

        Cree發(fā)布的第三代平面結(jié)構(gòu)SiC MOSFET,1200 V產(chǎn)品的比導(dǎo)通電阻僅為2.7 mΩ?cm2,在高壓領(lǐng)域也顯示出優(yōu)越的性能,10和15 kV器件的比導(dǎo)通電阻分別為123和208 mΩ?cm2,基本達(dá)到了單極型SiC器件的理論極限

        Cree公司SiC MOSFET研制結(jié)果

        SiC功率MOSFET作為單極型器件,導(dǎo)通狀態(tài)下通過(guò)多數(shù)載流子導(dǎo)電,當(dāng)擊穿電壓達(dá)到10 kV甚至更高時(shí),高導(dǎo)通電阻成為限制其應(yīng)用的重要問(wèn)題。

        SiC IGBT是一種雙極型器件,器件的背面多了一個(gè)pn結(jié),當(dāng)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),背面的pn結(jié)會(huì)將少子注入到漂移層,產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻,更加適合智能電網(wǎng)等設(shè)施的高壓大功率應(yīng)用

        由于SiC的電子遷移率比空穴遷移率高1個(gè)量級(jí),n溝道SiC IGBT(N-IGBT)比p溝道SiC IGBT(P-IGBT)具有更優(yōu)越的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)特性

        Cree公司和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所等報(bào)道了12~27 kV 高壓SiC N-IGBT 的研制結(jié)果,15 kV SiC N-IGBT 的微分比導(dǎo)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(yōu)勢(shì)

        高壓SiC N-IGBT 研制結(jié)果

        SiC N-IGBT需要p型SiC襯底,其質(zhì)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(jìn)一步提升。

        SiC電力電子器件最新研制進(jìn)展

        依托我國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所建立的寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,致力于以SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件技術(shù)研究和開(kāi)發(fā),建立了600~3300 V SiC MPS 二極管和1200~1700 V SiC MOSFET 產(chǎn)品技術(shù),在新能源汽車光伏發(fā)電等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。

        為進(jìn)一步發(fā)揮SiC電力電子器件高電壓、大功率、高效率、高功率密度等優(yōu)勢(shì),本實(shí)驗(yàn)室面向國(guó)際科技前沿開(kāi)展SiC MOSFET、SiC IGBT等器件技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作。

      1. 1200V SiC MOSFET

        SiC功率MOSFET器采用了平面型結(jié)構(gòu)

        研制的第一代1200 V/80 mΩ SiC MOSFET 器件,芯片的有源區(qū)面積為8.5 mm2,比導(dǎo)通電阻6.8 mΩ?cm2。按照工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)完成了器件的可靠性考核。

        閾值電壓體二極管的穩(wěn)定性是SiC MOSFET器件可靠性的兩項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

        在環(huán)境溫度150℃、柵極偏置電壓+20 V和-10 V的應(yīng)力條件下,經(jīng)過(guò)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(jīng)受了在環(huán)境溫度150℃、1000 h的穩(wěn)態(tài)工作壽命考核,顯示出良好的穩(wěn)定性

        為進(jìn)一步提升SiC MOSFET器件的導(dǎo)通電流密度降低柵電容,對(duì)SiC MOSFET 器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝展開(kāi)了改進(jìn)研究。

        尤其是針對(duì)SiC MOSFET溝道導(dǎo)通電阻大的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了柵氧前氮注入柵氧后氮化退火相結(jié)合的工藝,實(shí)現(xiàn)了溝道遷移率的明顯提升。

        結(jié)合SiC MOSFET單胞結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及JFET區(qū)選擇摻雜技術(shù),研制出新一代1200 V/80 mΩ SiC MOSFET器件,芯片有源區(qū)面積縮小到6 mm2,比導(dǎo)通電阻降低至4.8 mΩ?cm2,擊穿電壓為1500 V。

        1200 V/80 mΩ SiC MOSFET導(dǎo)通和阻斷測(cè)試曲線

        該產(chǎn)品的可靠性和可生產(chǎn)性通過(guò)驗(yàn)證后,性價(jià)比將得到顯著提升。

      2. 6.5~15 kV SiC MOSFET

        采用平面型MOS結(jié)構(gòu),進(jìn)行了高壓SiC MOSFET器件技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

        在3.3 kV以上的高壓領(lǐng)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(shè)計(jì)之外,漂移區(qū)外延摻雜濃度和厚度的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。

        SiC器件擊穿電壓與外延層厚度以及濃度之間的關(guān)系

        研制的6.5 kV/150 mΩ SiC MOSFET擊穿電壓達(dá)7.8 kV,在阻斷電壓為6.5 kV時(shí)漏電流小于2 μA,有源區(qū)面積35.6 mm2,比導(dǎo)通電阻53 mΩ?cm2。

        將6.5 kV SiC MOSFET與6.5 kV硅IGBT的開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行了對(duì)比,SiC MOSFET器件的總開(kāi)關(guān)損耗僅為傳統(tǒng)Si-IGBT模塊的1/15,因此更加適合高開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用。

        開(kāi)展了10和15 kV SiC MOSFET器件的設(shè)計(jì)和制備。當(dāng)柵極電壓VGS為20 V、漏源極電壓VDS為5.0 V時(shí),研制的10 kV/480 mΩ SiC MOSFET器件的導(dǎo)通電流為10.4 A,比導(dǎo)通電阻為144 mΩ?cm2。

        研制的15 kV/680 mΩ SiC MOSFET采用了摻雜濃度6×10^14 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(qū)面積30.1 mm2,采用了總寬度為1.5 mm的場(chǎng)限環(huán)終端。

        室溫下15 kV SiC MOSFET的導(dǎo)通和阻斷性能測(cè)試結(jié)果顯示,器件的擊穿電壓達(dá)15.5 kV,漏源極電壓VDS為6.5 V 時(shí)導(dǎo)通電流達(dá)9.6 A,對(duì)應(yīng)的比導(dǎo)通電阻為204 mΩ?cm2,為目前報(bào)道的最高水平

        15 kV SiC MOSFET 導(dǎo)通和阻斷測(cè)試曲線

      3. 20 kV SiC IGBT

        高壓SiC N-IGBT在n型SiC襯底上依次外延生長(zhǎng)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(zhǎng)度為14 μm,MOS溝道長(zhǎng)度1.0 μm,采用了總寬度為1.5 mm的場(chǎng)限環(huán)終端,芯片尺寸為9.2 mm×9.2 mm,有源區(qū)面積30.1 mm2。

        SiC N-IGBT器件結(jié)構(gòu)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(guò)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(dǎo)通和阻斷測(cè)試曲線,其中阻斷特性是將器件浸入在絕緣液體中測(cè)試獲得

        當(dāng)VGE=0 V、VCE=20 kV時(shí),器件的漏電流為40 μA。當(dāng)VGE=20 V,VCE=6.5 V 時(shí),SiC IGBT 的集電極電流達(dá)20 A,微分比導(dǎo)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(dǎo)通電流密度等方面的突出優(yōu)勢(shì)。

        結(jié)論

        SiC電力電子器件已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究和產(chǎn)業(yè)化熱門(mén)

        國(guó)內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)正在通過(guò)技術(shù)攻關(guān)追趕國(guó)際上突飛猛進(jìn)的發(fā)展步伐,建立了中低壓SiC肖特基二極管和SiC MOSFET產(chǎn)品技術(shù),推進(jìn)產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心電源、光伏發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域的批量應(yīng)用,面向國(guó)際科技前沿開(kāi)展高壓和超高壓SiC MOSFET、SiCIGBT等器件技術(shù)的開(kāi)發(fā)并取得重要成果,縮小了與國(guó)際先進(jìn)水平之間的差距

        “新基建”為寬禁帶半導(dǎo)體器件帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇,我們應(yīng)抓住機(jī)遇,加快提升以SiC為代表的新一代電力電子器件的技術(shù)水平,努力實(shí)現(xiàn)從跟跑到并跑再到領(lǐng)跑。

        本文作者:柏松,李士顏,楊曉磊,費(fèi)晨曦,劉奧,黃潤(rùn)華,楊勇

        作者簡(jiǎn)介:柏松,我國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所、寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,研究員,研究方向?yàn)閷捊麕О雽?dǎo)體電力電子器件。

        論文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2021年第14期

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      4.  
        (文/本站原創(chuàng))
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