碳化硅電子器件發(fā)展分析

1、碳化硅電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀分析目 錄1.SiC器件的材料與制造工藝21.1 SiC單晶21.2 SiC外延31.3 SiC器件工藝42. SiC二極管實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化53. SiC JFET器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展64. SiC MOSFET器件實(shí)用化取得突破75. SiC IGBT器件86. SiC功率雙極器件97. SiC 功率模塊108. 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀119. SiC電力電子器件面對(duì)的挑戰(zhàn)119.1 芯片制造成本過高119.2 材料缺陷多，單個(gè)芯片電流小129.3 器件封裝材料與技術(shù)有待提高1210. 小結(jié)12在過去的十五到二十年中，碳化硅電力電子器件領(lǐng)域取得了令人矚目的成就，所研發(fā)的碳化硅器件的

2、性能指標(biāo)遠(yuǎn)超當(dāng)前硅基器件，并且成功實(shí)現(xiàn)了部分碳化硅器件的產(chǎn)業(yè)化，在一些重要的能源領(lǐng)域開始逐步取代硅基電力電子器件，并初步展現(xiàn)出其巨大的潛力。碳化硅電力電子器件的持續(xù)進(jìn)步將對(duì)電力電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起到革命性的推動(dòng)作用。隨著SiC單晶和外延材料技術(shù)的進(jìn)步，各種類型的SiC器件被開發(fā)出來。SiC器件主要包括二極管和開關(guān)管。SiC二極管主要包括肖特基勢(shì)壘二極管及其新型結(jié)構(gòu)和PiN型二極管。SiC開關(guān)管的種類較多，具有代表性的開關(guān)管有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)開關(guān)管（MOSFET）、結(jié)型場效應(yīng)開關(guān)管（JFET）、絕緣柵雙極開關(guān)管（IGBT）三種。1. SiC器件的材料與制造工藝1.1 SiC單晶碳化硅早在1

3、842年就被發(fā)現(xiàn)了，但直到1955年，飛利浦（荷蘭）實(shí)驗(yàn)室的Lely才開發(fā)出生長高品質(zhì)碳化硅晶體材料的方法。到了1987年，商業(yè)化生產(chǎn)的SiC襯底進(jìn)入市場，進(jìn)入21世紀(jì)后，SiC襯底的商業(yè)應(yīng)用才算全面鋪開。碳化硅分為立方相（閃鋅礦結(jié)構(gòu)）、六方相（纖鋅礦結(jié)構(gòu)）和菱方相3大類共260多種結(jié)構(gòu)，目前只有六方相中的4H-SiC、6H-SiC才有商業(yè)價(jià)值，美國科銳（Cree）等公司已經(jīng)批量生產(chǎn)這類襯底。立方相（3C-SiC）還不能獲得有商業(yè)價(jià)值的成品。SiC單晶生長經(jīng)歷了3個(gè)階段, 即Acheson法、Lely法、改良Lely法。利用SiC高溫升華分解這一特性，可采用升華法即Lely法來生長SiC晶體。

4、升華法是目前商業(yè)生產(chǎn)SiC單晶最常用的方法，它是把SiC粉料放在石墨坩堝和多孔石墨管之間，在惰性氣體（氬氣）環(huán)境溫度為2 500的條件下進(jìn)行升華生長，可以生成片狀SiC晶體。由于Lely法為自發(fā)成核生長方法，不容易控制所生長SiC晶體的晶型，且得到的晶體尺寸很小，后來又出現(xiàn)了改良的Lely法。改良的Lely法也被稱為采用籽晶的升華法或物理氣相輸運(yùn)法 (簡稱PVT法)。PVT法的優(yōu)點(diǎn)在于：采用 SiC籽晶控制所生長晶體的晶型，克服了Lely法自發(fā)成核生長的缺點(diǎn)，可得到單一晶型的SiC單晶，且可生長較大尺寸的SiC單晶。 國際上基本上采用PVT法制備碳化硅單晶。目前能提供4H-SiC晶片的企業(yè)主要

5、集中在歐美和日本。其中Cree產(chǎn)量占全球市場的85%以上，占領(lǐng)著SiC晶體生長及相關(guān)器件制作研究的前沿。目前，Cree的6英寸SiC晶片已經(jīng)商品化,可以小批量供貨。此外，國內(nèi)外還有一些初具規(guī)模的SiC晶片供應(yīng)商，年銷售量在1萬片上下。Cree生產(chǎn)的SiC晶片有80%以上是自己消化的，用于LED襯底材料，所以Cree是全球唯一一家大量生產(chǎn)SiC基LED器件的公司，這個(gè)業(yè)務(wù)使得它的市場表現(xiàn)突出，公司市盈率長期居于高位。目前已出現(xiàn)了另一種碳化硅晶體生長方法，即采用高溫化學(xué)氣相沉積方法（HTCVD）。它是用氣態(tài)的高純碳源和硅源，在2200左右合成碳化硅分子，然后在籽晶上凝聚生長，生長速率一般為0.51

6、mm/h左右，略高于PVT法，也有研究機(jī)構(gòu)可做到2mm/h的生長速率。氣態(tài)的高純碳源和硅源比高純SiC粉末更容易獲得，成本更低。由于氣態(tài)源幾乎沒有雜質(zhì)，因此，如果生長時(shí)不加入n型摻雜劑或p型摻雜劑，生長出的4H-SiC就是高純半絕緣（HPSI）半導(dǎo)體。HPSI與SI是有區(qū)別的，前者載流子濃度3.5×10138×1015/cm3范圍，具有較高的電子遷移率；后者同時(shí)進(jìn)行n、p補(bǔ)償，是高阻材料，電阻率很高，一般用于微波器件襯底，不導(dǎo)電。如果要生長n型摻雜或p型摻雜的4H-SiC也非常好控制，只要分別通入氮或者硼的氣態(tài)源就可以實(shí)現(xiàn)，而且通過控制通入的氮或者硼的流量，就可以控制碳化硅

7、晶體的導(dǎo)電強(qiáng)弱。目前瑞典的Norstel AB公司采用HTCVD商業(yè)化生產(chǎn)碳化硅襯底材料（n型、p型、HPSI型），目前已有4英寸HPSI型4H-SiC襯底出售。1.2 SiC外延為了制造碳化硅半導(dǎo)體器件，需要在碳化硅晶片表面生長1層或數(shù)層碳化硅薄膜。這些薄膜具有不同的n、p導(dǎo)電類型，目前主流的方法是通過化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行同質(zhì)外延生長。 碳化硅外延生長方案中，襯底起很大的支配作用，早期碳化硅是在無偏角襯底上外延生長的，即從晶錠上切割下來的晶片其外延表面法線與晶軸(c軸)夾角=0°，如碳化硅晶片的Si(0001)或C(000)面，外延表面幾乎沒有臺(tái)階，外延生長期望能夠由理想的二維成核

8、生長模型控制。然而實(shí)際生長發(fā)現(xiàn)，外延結(jié)果遠(yuǎn)未如此理想。由于碳化硅是一種多型體材料，外延層中容易產(chǎn)生多型體夾雜，比如4H-SiC外延層中存在3C-SiC夾雜，使外延層“不純”，變成一種混合相結(jié)構(gòu)，極大地影響碳化硅器件的性能，甚至不能用這樣的外延材料制備器件。另外，這樣的外延層宏觀外延缺陷密度很大，不能用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝制備器件，即薄膜質(zhì)量難于達(dá)到晶圓級(jí)外延水平。后來發(fā)展了偏8°斜切碳化硅襯底，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展完善，現(xiàn)在己經(jīng)成為碳化硅外延的主要技術(shù)方案。與無偏角襯底比較起來，偏8°斜切襯底的外延表面有很高的臺(tái)階密度，且臺(tái)面長度很短，一般為十幾納米，反應(yīng)物容易從臺(tái)面上遷移到臺(tái)

9、階扭折處。外延時(shí)，不必等著扭折沿臺(tái)面運(yùn)動(dòng)到表面邊緣，所有的扭折可以同時(shí)以相似類的速率運(yùn)動(dòng)，直至外延生長結(jié)束，這就是所謂的臺(tái)階流控制(step-flow)外延生長機(jī)制。雖然在偏8°斜切襯底上外延時(shí)可以利用臺(tái)階流進(jìn)行控制生長，較好地解決了多型體夾雜及相應(yīng)的宏觀缺陷等問題，但是它也有其固有劣勢(shì)。Cree在SiC襯底制備方面具有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先地位，它的產(chǎn)品是業(yè)界的風(fēng)向標(biāo)，代表了需求的發(fā)展方向。首先，襯底斜切，在增加外延臺(tái)階的同時(shí)，也引入了基平面位錯(cuò)，其次，襯底斜切，襯底產(chǎn)率降低，造成了很大的原材料浪費(fèi)，增加了襯底制備的成本。當(dāng)晶圓直徑增大時(shí)，這個(gè)問題變得更加突出。Cree現(xiàn)在供應(yīng)的主流襯底片主要是

10、4英寸和6英寸大尺寸晶片，其中4英寸片提供斜切偏角為4°以及無偏角的，8°的可以定制；6英寸片只提供無偏角的，對(duì)于相同規(guī)格(產(chǎn)品等級(jí)、摻雜類型、微管密度等)的襯底片，偏8°的比偏4°的貴約1000美元，偏4°的比無偏角的貴約1200美元，當(dāng)襯底片用量很大時(shí)，這是一個(gè)很可觀的數(shù)目。因此，從以上分析并結(jié)合目前發(fā)展趨勢(shì)來看，大偏角斜切襯底必然是一個(gè)過渡方案，在世界各國科技人員的努力下，外延要回歸到小偏角斜切襯底方向上來?，F(xiàn)在Cree主推偏角為4°襯底。1.3 SiC器件工藝雖然碳化硅器件工藝和設(shè)備都與硅器件有很強(qiáng)的兼容性，但也遠(yuǎn)不是可以原封

11、不動(dòng)地照搬。與硅相比，碳化硅器件工藝的溫度一般要高得多。碳化硅晶片較小、易碎、透明、難適應(yīng)，倒是一些大學(xué)實(shí)驗(yàn)室比較靈活，而且價(jià)格昂貴，大公司的生產(chǎn)線較成為開發(fā)碳化硅器件工藝的主力。摻雜是最基本的器件工藝。由于一般雜質(zhì)在碳化硅中的擴(kuò)散系數(shù)跟在Si02中一樣低，在適合于對(duì)碳化硅進(jìn)行有效雜質(zhì)擴(kuò)散的溫度下，Si02已失去了對(duì)雜質(zhì)的掩蔽作用，而且碳化硅本身在這樣的高溫下也不穩(wěn)定，因此不宜采用擴(kuò)散摻雜，而主要靠離子注入和材料制各過程中的伴隨摻雜來滿足制造碳化硅器件的需要。在碳化硅材料的氣相生長過程中，n型摻雜一般用電子級(jí)純度的氮做摻雜劑，P型摻雜一般使用三甲基鋁。n型離子注入的雜質(zhì)一般也是氮。氮離子注入對(duì)

12、晶格的損傷比較容易用退火的方式消除。P型離子注入的雜質(zhì)一般也是鋁。由于鋁原子比碳原子大得多，注入對(duì)晶格的損傷和雜質(zhì)處于未激活狀態(tài)的情況都比較嚴(yán)重，往往要在相當(dāng)高的襯底溫度下進(jìn)行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問題。殘留碳如果能形成石墨態(tài)碳膜，會(huì)對(duì)阻止表面繼續(xù)分解起一定作用。于是，尺寸與碳比較相當(dāng)?shù)呐鹨渤蔀槌Ｓ玫膒型注入雜質(zhì)。目前，P型離子注入的問題還比較多，從雜質(zhì)選擇到退火溫度的一系列工藝參數(shù)都還需要優(yōu)化，而P型離子注入對(duì)提高功率MOS的溝道遷移率又十分重要。柵氧化物與碳化硅之間的界面缺陷對(duì)功率MOS的溝道遷移率也有十分重要的影晌，因而柵氛化物的生長或淀積十

13、分關(guān)鍵。除類似于硅的熱氧化之外，碳化硅還可用燃燒法生長柵氧化物，而且這種方法產(chǎn)生的界面態(tài)密度較低。用熱氧化法在NO中生長柵氧化物也能降低界面態(tài)的密度。就同樣的柵氧化物生長方法而言，6H-SiC比4H-SiC的溝道遷移率要高一些;而就體材料中的載流子遷移率而言，是4H-SiC比6H-SiC高。這說明4H-SiC的氧化物界面缺陷問題比較嚴(yán)重。使用1400 高溫快速退火法，n型和P型4H-SiC的歐姆接觸都可以做到單位面積接觸電阻低達(dá)10-5cm2量級(jí)的水平，所用的電極材料分別是Ni和A1。不過這種接觸在400C以上的熱穩(wěn)定性較差。對(duì)P型4H-SiC采用Al/Ni/W/Au復(fù)合電極可以把熱穩(wěn)定性提高

14、到600100小時(shí)，不過其接觸比電阻高達(dá)10-3cm2。采用TaC和AlSi合金電極也可獲得類似效果。6H-SiC比4H-SiC容易獲得低阻歐姆接觸，其接觸比電阻可低達(dá)10-6cm2。在高壓硅器件中采用的多數(shù)終端技術(shù)和鈍化技術(shù)，比如場板、場環(huán)和結(jié)終端等也適用與碳化硅器件。除此而外，在結(jié)終端注入大劑量Ar或B，借損傷晶格形成高阻區(qū)，起類似于硅功率器件中半絕緣多晶硅(SIPOS )的作用，也有明顯效果。若在Ar、B離子注入后再在600退火，器件的反向特性還會(huì)進(jìn)一步改善。目前SiC功率器件封裝工藝及方法通常借鑒Si IGBT封裝技術(shù)，在DBC布局、芯片鍵合、高溫焊料、硅凝膠填充、密封材料等方面還存在

15、一些問題，針對(duì)SiC器件封裝特殊要求，三菱、塞米控、富士等公司在封裝材料及結(jié)構(gòu)方面提出了新的思路，如三菱公司銅針布線技術(shù)，塞米控公司低溫納米銀燒結(jié)技術(shù)，富士公司低電感和優(yōu)化的DBC布局設(shè)計(jì)。2. SiC二極管實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化SiC電力電子器件中，SiC二極管最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。一般可分為肖特基二極管(Schottky barrier diode， SBD)、PiN二極管和結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二極管(junction barrier Schottky， JBS)三種。在5kV阻斷電壓以下的范圍，碳化硅SBD具有一定的優(yōu)勢(shì)，而對(duì)于PiN結(jié)二極管，由于其

16、內(nèi)部的電導(dǎo)調(diào)制作用而呈現(xiàn)出較低的導(dǎo)通電阻，使得它更適合制備45kV或者以上電壓等級(jí)的器件。JBS 二極管則結(jié)合了肖特基二極管所擁有的出色的開關(guān)特性和PiN結(jié)二極管所擁有的低漏電流的特點(diǎn)。另外，把JBS二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝稍作調(diào)整就可以形成混合PiN-肖特基結(jié)二極管(merged PiN Schottky， MPS)。2001年德國Infineon公司率先推出SiC二極管產(chǎn)品，美國Cree和意法半導(dǎo)體等廠商也緊隨其后推出了SiC二極管產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。很多企業(yè)在開發(fā)肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）和JBS結(jié)構(gòu)二極管

17、。目前，SiC二極管已經(jīng)存在600V1700V電壓等級(jí)和50A電流等級(jí)的產(chǎn)品。SiC 肖特基二極管能提供近乎理想的動(dòng)態(tài)性能。做為單子器件，它的工作過程中沒有電荷儲(chǔ)存，因此它的反向恢復(fù)電流僅由它的耗盡層結(jié)電容造成，其反向恢復(fù)電荷以及其反向恢復(fù)損耗比Si超快恢復(fù)二極管要低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。更重要的是，和它匹配的開關(guān)管的開通損耗也可以得到大幅度減少，因此提高電路的開關(guān)頻率。另外，它幾乎沒有正向恢復(fù)電壓，因而能夠立即導(dǎo)通，不存在雙極型器件的開通延時(shí)現(xiàn)象。在常溫下，其正態(tài)導(dǎo)通壓降和Si超快恢復(fù)器件基本相同，但是由于SiC 肖特基二極管的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，這將有利于將多個(gè)SiC肖特基二極管并聯(lián)。在二極

18、管單芯片面積和電流受限的情況下，這可以大幅度提高SiC肖特基二極管的容量，使它在較大容量中的應(yīng)用成為可能。目前實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的最大容量的SiC二極管已經(jīng)達(dá)到了6500V/1000A的水平。由于SiC開關(guān)管的發(fā)展相對(duì)二極管滯后，當(dāng)前更普遍的做法是將SiC 二極管和Si IGBT 和MOSFET器件封裝在一個(gè)模塊中以形成大功率開關(guān)組合。目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司的SiC肖特基二極管用于變頻或逆變裝置中替換硅基快恢復(fù)二極管，顯著提高了工作頻率和整機(jī)效率。中低壓SiC肖特基二極管目前已經(jīng)在高端通訊開關(guān)電源、光伏并網(wǎng)逆變器領(lǐng)域上產(chǎn)生較大的影響。SiC肖特基二

19、極管的發(fā)展方向是襯底減薄技術(shù)和Trench JBS結(jié)構(gòu)。襯底減薄技術(shù)能夠有效地減小低壓SiC肖特基二極管的導(dǎo)通電阻，增強(qiáng)器件浪涌電流能力，減小器件熱阻。Infineon公司于2012年9月發(fā)布第五代SiC SBD產(chǎn)品，首次采用襯底減薄技術(shù)。在SiC晶格里，JBS結(jié)構(gòu)中離子注入p阱的深度受到限制（<1um），反偏條件下淺p-n結(jié)對(duì)肖特基結(jié)的屏蔽作用不是特別明顯，只有在相鄰p阱之間的間距較小時(shí)才能突顯出來，但同時(shí)帶來的正向?qū)系缹挾茸冋?yīng)使得正向?qū)▔航碉@著增加。為了解決這一問題，新一代SiC肖特基二極管的發(fā)展方向是Trench JBS結(jié)構(gòu)。Cree公司新一代SiC肖特基二極管同時(shí)采用T

20、rench JBS結(jié)構(gòu)和襯底減薄技術(shù)，與傳統(tǒng)的JBS二極管相比，正反向特性都得到了改善，不僅增加了電流密度（芯片面積減小50%）；也提高了阻斷電壓（提高150V）和雪崩能力。3. SiC JFET器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展碳化硅JFET有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點(diǎn)，是目前發(fā)展較快的碳化硅器件之一，并且率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。與MOSFET器件相比，JFET器件不存在柵氧層缺陷造成的可靠性問題和載流子遷移率過低的限制，同時(shí)單極性工作特性使其保持了良好的高頻工作能力。另外，JFET器件具有更佳的高溫工作穩(wěn)定性和可靠性。碳化硅JFET器件的門極的結(jié)型結(jié)構(gòu)使得通常JFET的閾值電壓大多為負(fù)，即常通型器件，這

21、對(duì)于電力電子的應(yīng)用極為不利，無法與目前通用的驅(qū)動(dòng)電路兼容。美國Semisouth公司和Rutgers大學(xué)通過引入溝槽注入式或者臺(tái)面溝槽結(jié)構(gòu)（TI VJFET）的器件工藝，開發(fā)出常斷工作狀態(tài)的增強(qiáng)型器件。但是增強(qiáng)型器件往往是在犧牲一定的正向?qū)娮杼匦缘那闆r下形成的，因此常通型（耗盡型）JFET更容易實(shí)現(xiàn)更高功率密度和電流能力，而耗盡型JFET器件可以通過級(jí)聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)常斷型工作狀態(tài)。級(jí)聯(lián)的方法是通過串聯(lián)一個(gè)低壓的Si基MOSFET來實(shí)現(xiàn)。級(jí)聯(lián)后的JFET器件的驅(qū)動(dòng)電路與通用的硅基器件驅(qū)動(dòng)電路自然兼容。級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)非常適用于在高壓高功率場合替代原有的硅IGBT器件，并且直接回避了驅(qū)動(dòng)電路的兼容問題

22、。目前，碳化硅JFET器件以及實(shí)現(xiàn)一定程度的產(chǎn)業(yè)化，主要由Infineon和SiCED公司推出的產(chǎn)品為主。產(chǎn)品電壓等級(jí)在1200V、1700V，單管電流等級(jí)最高可以達(dá)20A，模塊的電流等級(jí)可以達(dá)到100A以上。2011年，田納西大學(xué)報(bào)到了50kW的碳化硅模塊，該模塊采用1200V/25A的SiC JFET并聯(lián)，反并聯(lián)二極管為SiC SBD。2011年，Global Power Electronics研制了使用SiC JFET制作的高溫條件下SiC三相逆變器的研究，該模塊峰值功率為50kW（該模塊在中等負(fù)載等級(jí)下的效率為98.5%10kHz、10kW，比起Si模塊效率更高。2013年Rockwe

23、ll 公司采用600V /5A MOS增強(qiáng)型JFET以及碳化硅二極管并聯(lián)制作了電流等級(jí)為25A的三相電極驅(qū)動(dòng)模塊，并與現(xiàn)今較為先進(jìn)的IGBT、pin二極管模塊作比較：在同等功率等級(jí)下（25A/600V），面積減少到60%，該模塊旨在減小通態(tài)損耗以及開關(guān)損耗以及功率回路當(dāng)中的過壓過流。4. SiC MOSFET器件實(shí)用化取得突破碳化硅MOSFET一直是最受矚目的碳化硅開關(guān)管，它不僅具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性，而且其驅(qū)動(dòng)電路非常簡單，并與現(xiàn)有的電力電子器件（硅功率MOSFET和IGBT）驅(qū)動(dòng)電路的兼容性是碳化硅器件中最好的。SiC MOSFET器件長期面臨的兩個(gè)主

24、要挑戰(zhàn)是柵氧層的長期可靠性問題和溝道電阻問題。其中溝道電阻大導(dǎo)致導(dǎo)通時(shí)的損耗大，為減少導(dǎo)通損耗而降低導(dǎo)通電阻和提高柵氧層的可靠性的研發(fā)一直在進(jìn)行。降低導(dǎo)通電阻的方法之一是提高反型溝道的載流子遷移率，減小溝道電阻。為了提高碳化硅MOSFET柵氧層的質(zhì)量，降低表面缺陷濃度，提高載流子數(shù)量和遷移率，一種最通用的辦法是實(shí)現(xiàn)生長界面的氮注入，也被稱為界面鈍化，即在柵氧層生長過程結(jié)束后，在富氮的環(huán)境中進(jìn)行高溫退火，這樣可以實(shí)現(xiàn)溝道載流子遷移率的提高，從而減小溝道電阻，減小導(dǎo)通損耗。降低導(dǎo)通電阻的方法之二是采用在柵極正下方開掘溝槽的溝槽型柵極結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)投產(chǎn)的SiC MOSFET都是“平面型”。平面型在為

25、了降低溝道電阻而對(duì)單元進(jìn)行微細(xì)化時(shí)，容易導(dǎo)致JFET電阻增大的問題，導(dǎo)通電阻的降低方面存在一定的局限性。而溝槽型在構(gòu)造上不存在JFET電阻。因此，適于降低溝道電阻、減小導(dǎo)通電阻，但是Si溝槽型MOSFET目前尚未解決溝槽刻蝕之后側(cè)壁溝道的表面問題。美國Cree和日本Rohm公司已經(jīng)能提供業(yè)界領(lǐng)先的碳化硅的MOSFET器件。美國已經(jīng)將碳化硅MOSFET器件應(yīng)用于開發(fā)2.7MVA的固態(tài)功率變電站，該固態(tài)功率變電站可能將被應(yīng)用于美國下一代航空母艦CVN-21的配電系統(tǒng)中。采用全碳化硅功率模塊，可以使傳統(tǒng)的低頻（60Hz）變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l（20kHz）固態(tài)功率變電站，預(yù)計(jì)使變壓器的重量由6噸降低到1.

26、7噸，體積從10立方米降低到2.7立方米，大大提高艦船系統(tǒng)的性能。2012年，日本三菱電機(jī)通過使用碳化硅制造的MOSFET和肖特基二極管，研發(fā)出一個(gè)達(dá)11kW逆變器，它比基于硅器件制造的逆變器，降低能源損耗達(dá)七成，輸出功率為10W/cm3。日本三菱電機(jī)報(bào)道了使用強(qiáng)制風(fēng)冷的三相400V輸出全碳化硅逆變器，采用了碳化硅JFET和碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管，這套裝置的功率密度達(dá)到了50kVA/升，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的硅基裝置。2013年3月美國Cree發(fā)布第2代SiC MOSFET。與第1代產(chǎn)品相比，通過縮小芯片面積等手段壓縮了成本。以耐壓為1.2kV的品種為例，第2代芯片面積比第1代縮小了約40%。5. Si

27、C IGBT器件由于受到工藝技術(shù)的制約，碳化硅IGBT的起步較晚，高壓碳化硅IGBT面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)：第一個(gè)挑戰(zhàn)與碳化硅MOSFET器件相同，溝道缺陷導(dǎo)致的可靠性以及低電子遷移率問題；第二個(gè)挑戰(zhàn)是N型IGBT需要P型襯底，而P型襯底的電阻率比N型襯底的電阻率高50倍。因此，1999年制成的第一個(gè)IGBT采用了P型襯底。經(jīng)過多年的研發(fā)，逐步克服了P型襯底的電阻問題，2008年報(bào)道了13kV的N溝道碳化硅IGBT器件，比導(dǎo)通電阻達(dá)到22m×cm2。有報(bào)道對(duì)15kV的N-IGBT和MOSFET的正向?qū)芰ψ隽艘粋€(gè)比較，結(jié)果顯示，在結(jié)溫為室溫時(shí)，在芯片功耗密度為200 W/cm2以下的條件下，

28、MOSFET可以獲得更大的電流密度，而在更高的功耗密度條件下，IGBT可以獲得更大的電流密度。在結(jié)溫為127ºC時(shí)，IGBT在功耗密度為50 W/cm2以上的條件下就能夠?qū)ū萂OSFET更高的電流密度。同一年，該團(tuán)隊(duì)還報(bào)道了阻斷電壓達(dá)到12 kV的P溝道碳化硅IGBT，導(dǎo)通比電阻降到了14m×cm2，體現(xiàn)了明顯的電導(dǎo)調(diào)制能力。2012年，Cree公司Sei-Hyung Ryu等人制成6.7mm ×6.7mm，有源區(qū)面積為0.16cm2的4HSiC p-IGBT，正向擊穿電壓15kV，在室溫柵壓一20V條件下，比導(dǎo)通電阻為24m×cm2。2014年，Ta

29、dayoshi Deguchi等人制成了擊穿電壓為13kV，當(dāng)測試溫度為523K時(shí)，柵壓一20V時(shí)微分比導(dǎo)通電阻為33 m×cm2的平面柵PIGBT。碳化硅 IGBT器件的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用范圍為10kV以上的高壓領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域中，碳化硅MOSFET器件會(huì)面臨通態(tài)電阻過高的問題，但是在10kV以下的應(yīng)用中，碳化硅IGBT 相對(duì)于碳化硅MOSFET 的優(yōu)勢(shì)并不十分明顯。在15 kV以上的應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅IGBT綜合了功耗低和開關(guān)速度快的特點(diǎn)，相對(duì)于碳化硅的MOSFET以及硅基的IGBT、晶閘管等器件具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別適用于高壓電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。新型高溫高壓碳化硅IGBT器件將對(duì)大功率應(yīng)用

30、，特別是電力系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生重大的影響?？梢灶A(yù)見的是，高壓碳化硅IGBT器件將和PiN二極管器件一起，成為下一代智能電網(wǎng)技術(shù)中電力電子技術(shù)最核心的器件。6. SiC功率雙極器件 用碳化硅可以制造阻斷電壓很高的雙極器件，譬如高壓PiN二極管和晶閘管等。隨著碳化硅器件研發(fā)熱潮的掀起，也引起了一些研究者對(duì)開發(fā)碳化硅BTJ的興趣，SiC BJT畢竟不像SiC MOSFET那樣會(huì)遇到氧化層品質(zhì)嚴(yán)重影響器件特性的問題，開發(fā)SiC BJT的主要問題是提高電流增益。而碳化硅晶閘管在兼顧開關(guān)頻率、功率處置能力和高溫特性方面最能發(fā)揮碳化硅的材料特長，與碳化硅功率MOSFET相比，對(duì)3000V以上的阻斷電壓，其通態(tài)電

31、流密度可以高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而特別適合于交流開關(guān)方面的應(yīng)用。對(duì)于直流開關(guān)方面的應(yīng)用，則是碳化硅GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)之所長。碳化硅門級(jí)換晶閘管（SiC GT）的研發(fā)也受到關(guān)注。2006年有研究報(bào)道了面積為8mm*8mm的SiC GT芯片，導(dǎo)通峰值電流高達(dá)200A。2010年報(bào)道了單芯片脈沖電流達(dá)2000A的SiC GT器件。脈沖電流2000A的SiC GT器件7. SiC 功率模塊碳化硅功率模塊是全球電力電子器件大型企業(yè)目前重點(diǎn)的發(fā)展方向。碳化硅功率模塊已經(jīng)在一些高端領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了初步應(yīng)用，包括高功率密度電能轉(zhuǎn)換、高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)等等，并具有廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力。在碳化硅功率模塊領(lǐng)域，首先開

32、始研發(fā)的是基于碳化硅功率二極管和硅基IGBT的混合功率模塊。第一個(gè)實(shí)現(xiàn)商用的采用碳化硅二極管和硅基IGBT的高功率模塊是Infineon公司的Prime PACK產(chǎn)品。隨著碳化硅器件的進(jìn)步，全碳化硅功率模塊不斷被研發(fā)出來。美國Cree公司報(bào)道了阻斷電壓10kV，電流20A的碳化硅MOSFET芯片，并可以通過并聯(lián)模塊得到100A的電流傳輸能力。2009年美國Cree公司與Powerex公司開發(fā)出了雙開關(guān)1200V、100A的碳化硅功率模塊，該模塊由耐高壓和大電流的碳化硅的MOSFET器件和碳化硅肖特基二極管組成。2011年，美國U.S. Army Research Laboratory研發(fā)了用2

33、0個(gè)80A的SiC MOSFET以及20個(gè)50A SiC肖特基二極管制作了一個(gè)1200V/800A的雙向功率模塊。該模塊用作全橋逆變并與Si器件比較實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明功率損耗至少降低40%，在同樣輸出電流等級(jí)情況下SiC的模塊可以工作在Si模塊的4倍頻狀態(tài)。該模塊預(yù)計(jì)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。2012年，日本富士電機(jī)公司研發(fā)基于SiC MOSFET的1200V/100A的碳化硅功率模塊。該模塊采用新型無焊線設(shè)計(jì)、氮化硅陶瓷作襯底制作，可以在200°C高溫工作作，并且類似倒裝芯片的壓接式設(shè)計(jì)使得該模塊與起傳統(tǒng)的鋁線鍵合模塊相比具有內(nèi)電感低的特點(diǎn)，同時(shí)損耗更低，與傳統(tǒng)同功率IGBT模塊相比具有更緊湊

34、的結(jié)構(gòu)，大小約為原先的1/2。2012年日本羅姆公司開始推出全碳化硅功率模塊，2013年，美國的CREE公司和日本的三菱公司也推出了1200V/100A的全碳化硅模塊。這些全碳化硅功率模塊組合了碳化硅MOSFET器件和肖特基二極管，利用高速開關(guān)及低損耗的特性，可替換原來額定電流為200400A的硅基IGBT模塊。因器件散熱性提高，使得裝置的體積縮小了一半，并且發(fā)熱量小，可縮小冷卻裝置，實(shí)現(xiàn)裝置的小型化，同時(shí)可以將電力轉(zhuǎn)換時(shí)的損耗削減85%以上，大幅削減工業(yè)設(shè)備的電力損耗。全碳化硅MOSFET（或JFET）模塊的優(yōu)良特性使它具備在10kV以下的應(yīng)用中取代硅基IGBT的巨大潛力，取代的速度和范圍將

35、取決于碳化硅材料和器件技術(shù)的成熟速度和成本下降的速度。8. 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀由于受限于SiC單晶材料和外延設(shè)備，國內(nèi)在SiC功率器件方面的實(shí)驗(yàn)研究起步較晚，但我國一直在跟蹤國外SiC寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展。在國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)和高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)的支持下，先后啟動(dòng)了“寬禁帶半導(dǎo)體XXX基礎(chǔ)研究”、“SiC高頻高溫功率器件”和“SiC單晶襯底制備”項(xiàng)目的研究。形成了集SiC晶體生長(中電46所、山東大學(xué)和中科院物理所等)、SiC器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(電子科技大學(xué)和西安電子科技大學(xué)等)、SiC器件制造(中電13所、55所和西安電子科技大學(xué)等)為一體的產(chǎn)學(xué)研齊全的SiC器件研發(fā)隊(duì)

36、伍。2014年，中國的泰科天潤半導(dǎo)體科技(北京)有限公司(簡稱“泰科天潤”)打破了國外SiC肖特基二極管的商業(yè)壟斷，其600V10A、1 200V20A等產(chǎn)品的成品率達(dá)到國際領(lǐng)先水平。2014年，中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所(簡稱“中電五十五所”)SiC JBS二極管的擊穿電壓為10kV。西安電子科技大學(xué)于2014年首次使1.5kV SiC PiN二極管的正向?qū)娏鬟_(dá)到30A。國內(nèi)對(duì)SiC功率MOSFET的研究起步較晚。2012年西安電子科技大學(xué)研制出850V SiC UMOSFET器件；2014-2015年年初，中電五十五所、西安電子科技大學(xué)、中國科學(xué)院微電子研究所分別研制出了120

37、0V SiC VDMOSFET器件，最大電流10A。對(duì)于SiC BJT雙極型晶體管，國內(nèi)的研究主要集中在模型及新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。2012年，西安電子科技大學(xué)首次成功實(shí)現(xiàn)了4H-SiC功率BJT樣品，器件的電流增益為20。2015年9月，泰科天潤發(fā)布了其1200V/10A SiC BJT研究成果，電流增益為85.8，所組成的功率模塊容量為53.03kW。 對(duì)于結(jié)型場效應(yīng)晶體管，2013年，南京電子器件研究所陳剛等人利用自主生長的SiC外延材料，研制出l700V常開型和常關(guān)型SiC JFET器件，正向電流達(dá)3.5A。2014年浙江大學(xué)盛況小組報(bào)道了3500Vl5A常關(guān)型SiC JFET。9. SiC電

38、力電子器件面對(duì)的挑戰(zhàn)9.1 芯片制造成本過高從商業(yè)化角度看，SiC功率器件在電力電子器件市場很大，但SiC能否成功打入電力領(lǐng)域市場，最終還是取決于它的性價(jià)比。目前雖已實(shí)現(xiàn)了6英寸4H-SiC襯底制備，但Cree公司從2英寸(1997年)擴(kuò)大到商業(yè)化6英寸(2010年)零微管4H-SiC襯底花費(fèi)了13年時(shí)間。同時(shí)，SiC功率器件工藝費(fèi)用也很高，設(shè)備及技術(shù)掌握在國外少數(shù)幾家公司。較高的價(jià)格導(dǎo)致其通常應(yīng)用在高溫，輻照等Si器件不能應(yīng)用的領(lǐng)域。較小的市場維持高的成本限制了SiC功率器件的發(fā)展。目前，同一規(guī)格SiC功率器件的價(jià)格是Si器件的5-6倍，當(dāng)這一數(shù)值降到2-3倍時(shí)，SiC功率器件將會(huì)大范圍應(yīng)用于電動(dòng)汽車、機(jī)車、動(dòng)車變流器中，推動(dòng)牽引系統(tǒng)快速發(fā)展。9.2 材料缺陷多，單個(gè)芯片電流小雖然目前SiC器件的研究已經(jīng)取得了非常矚目的成果，但其性能離SiC材料本身的極限還有較大距離。近幾年，利用物理氣相傳輸法(PVT)生長的SiC晶體和化學(xué)氣相沉積法(CVD)生長的SiC薄膜取得了驚人的進(jìn)步。采用緩沖層、臺(tái)階控制外延及位置競爭等技術(shù)制備的SiC薄膜晶體質(zhì)量有了很大的提高，并實(shí)現(xiàn)了可控?fù)诫s。但晶體中仍含有大量的微管、位錯(cuò)和層錯(cuò)等缺陷，這些缺陷