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用于取代IGBT的碳化硅(SiC)MOSFET 技术发展回顾

2019-11-01 13:16:35 来源:原创: Sinjin EETOP
碳化硅(SiC)是一种广泛使用的老牌工业材料,1893年已经开始大规模生产了,至今一直在使用。不过自然界中很难找到碳化硅,在陨石中的矿物莫桑石会含有碳化硅。由于碳化硅的硬度很高,碳化硅的主要用途是用作磨料,也被用于汽车制动盘,作为汽车润滑剂的添加剂和珠宝钻石的替代品等。不过最近几十年来,它已被用作电子材料,最初用于发光二极管(LED),最近又被用于电力电子设备,包括肖特基势垒二极管(SBD),结型场效应晶体管(JFET)和MOSFET晶体管。由于SiC MOSFET具有取代现有的硅超级结(SJ)晶体管和集成栅双极晶体管(IGBT)技术的潜力,因此受到了特别的关注。

多年之前碳化硅半导体器件潜力已为人所知。在1962年Lloyde Wallace获得了专利(US3254280A),这是一种碳化硅单极晶体管器件。它本质上是一个结型场效应晶体管。图1显示了Lloyde 1962年专利的图。在P型SiC主体中形成N型沟道区域。源极/漏极触点形成到N型沟道。栅极结构位于源极和漏极之间,并且相应的栅电极位于SiC衬底的底侧。目前,UnitedSiC正在生产基于碳化硅的JFET ,尽管它们是为了提高性能而基于垂直设计,其中源极和栅极位于SiC裸片的顶部,而漏极位于背面。 
 

图1从US3254280A(碳化硅单极晶体管)
 

1989年,北卡罗来纳州立大学(NCSU)的B. Jayant Baliga首次描述了将SiC用于电力电子设备的好处1。Baliga在通用电气期间发明了IGB。他现在是NCSU的杰出大学教授。他得出了一个称为BHFFOM的品质因数,该品质因数表明可以通过使用具有更大迁移率和更高临界击穿场的半导体(例如SiC甚至钻石)来减少功率损耗。在这段时间出现了一系列与碳化硅的电力半导体应用相关的专利。
 

当时的主要发明者之一是约翰·帕尔默(John Palmour),他于1987年在北卡罗莱纳州的三角研究园共同创立了Cree。现在他是电源射频技术的首席技术官。Cree一直是SiC功率器件技术的主要驱动力之一。当他还在NCSU时,还是一名研究生,他在1987年申请了一项重要专利,该专利导致了SiC基MOSFET晶体管的发明。
 

该开创性专利(US4875083A)涉及在SiC衬底上形成MOS电容器结构。
 

现摘录1987年此项专利发表的简介,描述了当时SiC的发展状况: 
 

碳化硅一直是半导体器件的候选材料。长期以来,碳化硅一直被认为具有独特的特性,这使得它具有比其他常用半导体材料如硅(Si)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)形成的半导体器件更优越的特性。碳化硅具有宽的带隙、高的熔点、低的介电常数、高的击穿场强、高的导热系数和高的饱和电子漂移速度。这些特性使碳化硅制成的器件有可能在更高的温度、更近的距离、更高的功率级别以及其他一些由其他半导体材料制成的器件根本无法工作的情况下工作。
 
尽管具有这些已知的特性,但由碳化硅制成的高质量商用设备尚未问世。碳化硅是一种非常难处理的材料,它可以在150多种不同的多型中结晶。因此,在半导体材料上制造电子器件所需的单个多型或特定多型碳化硅薄膜的大型单晶仍然是一个难以实现的目标。
 
但是,最近,该领域已经取得了许多进展,这首次使在碳化硅上生产商业品质的电子设备成为可能。

然而,最近在这一领域取得了一些进展,使商用优质碳化硅电子器件的生产首次成为可能。
 

本专利图1和图2展示了所述MOS电容器的结构,如下图2所示。该电容器是由一个圆形欧姆接触到掺杂的碳化硅衬底与中心圆形金属接触在一层氧化物。由于底层SiC中的载流子损耗,电容随外加电压的变化而变化。MOS电容结构是形成MOSFET晶体管的关键。 

图2: 来自US4875083A(在碳化硅上形成的金属绝缘体-半导体电容器)


奇怪的是,在SiC衬底上,一个描述简单的平面MOSFET晶体管的装置专利似乎并不存在。很可能,这个概念在当时会被认为是显而易见的,不需要申请专利。还有一些专利描述在碳化硅衬底上制造MOSFET晶体管的方法,描述了基本结构简单MOSFET结构的变化。例如,Yoshihisa Fujii,Akira Suzuki和Katsuki Furukawa 在1990年提交US5170231A,描述了一种具有不对称源/漏电导率的SiC MOSFET。此后不久,1992年,约翰·帕尔默(John Palmour)申请了开创性专利(US5506421A),描述了垂直沟槽栅极SiC MOSFET的结构。该申请是在1996年批准的,现在已经超过20年了,因此该专利已经过期,所描述的概念现在已经进入公有领域。但是,在此专利之后有许多与SiC MOSFET相关的专利仍然有效。例如,搜索显示Cree拥有700多项与SiC MOSFET技术相关的有效专利。
 

US5506421A所示的垂直沟道SiC MOSFET的结构如下图3所示。该专利声称垂直功率MOSFET具有低导通电阻和高温范围,形成于碳化硅衬底的C面,类似于N型。在衬底上方形成N-漂移层,然后是P-沟道层。沟槽栅极穿透P-沟道层,并且形成N +源极区。金属源电极和漏电极分别位于管芯的顶部和底部。这种沟槽架构有时称为UMOS(U形栅极),以区别于平面DMOS(漂移MOS)设计。

 

图3  US5506421A(功率MOSFET在碳化硅


到了2011年, Cree推出了市场上第一个SiC功率MOSFET,即CMF20120D器件。CMF20120D是垂直N沟道增强型SiC MOSFET。图4显示了CMF20120D器件中的平面晶体管栅极的横截面SEM显微照片。在此SEM显微照片中描绘了N +源和P型身体植入物。

图4 Cree CMF20120D碳化硅平面MOSFET横截面


自2010年以来,碳化硅功率MOSFET市场显著扩大,现在每年超过2亿美元。随着SiC在汽车、光伏、铁路等多个市场取代硅技术,许多新的参与者已经进入市场,有望实现两位数的复合年增长率。通常,SiC 功率MOSFET的工作电压为1200或1700 V,旨在取代IGBT技术。最近发布了650 V SiC MOSFET器件,其目标可能是与硅超级结和基于GaN的技术竞争。
 

看来Cree仍继续专注于平面SiC MOSFET技术。但是,包括英飞凌和罗姆在内的其他厂商在采用沟槽或UMOS技术。相比之下,意法半导体(STMicroelectronics)也专注于平面SiC MOSFET技术。图5显示了在罗姆 SCT3022AL 650 V SiCN沟道MOSFET 上发现的沟槽栅极的横截面SEM显微照片。
 

图5与US5506421A的权利要求1的比较表明,罗姆 SCT3022AL使用了John Palmour精沟槽SiC MOSFET专利中的许多功能。例如,SEM图像显示沟槽,绝缘层和栅电极的存在。 

图5 Rohm SCT3022AL 650 V SiC MOSFET横截面
 

碳化硅是一种颠覆性的技术,随着在各种关键电力电子市场上它正在取代硅基技术的地位,正开始受到市场的关注。。自20世纪80年代中期以来,关键发明家所做的创新工作使这成为可能。据预测,到2025年,SiC电力电子市场规模将超过10亿美元,并且可能会更早。

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