SiC功率芯片及SiC功率模块的产品化开发动向_邓隐北
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SiC 电力电子器件的重要优势，在于具有更高的击穿电场 强度，其最高温度已达 600℃等。由于这一半导体器件的高耐 压、低损耗、可高频高温操作的优越特性，突破了硅基功率 半导体器件电压、温度所导致的局限性。随着 SiC 单晶和外 延材料技术的进步，各种类型的 SiC 电力电子器件都将陆续 被开发。本文阐述了 SiC 功率芯片及 SiC 功率模块的产品化 开发动向。
38 | The World of Power Supply Sept 2015
2 SiC 功率模块的产品领域
SiC 与 Si 器件结构相同，基于工作原理对 SiC 功率器件 的设计是可能的。与 GaN( 氮化镓 ) 和金刚石（diamond）等 其它宽禁带（隙）半导体材料比较，在制造上和操作上，SiC 和 Si 的匹配性高。从功率器件的元件耐压观点看，SiC 对比 Si，具有绝缘击穿电场强度约高 10 倍、带隙约大 3 倍这一适 合功率器件应用的物理性质，故认为有更高耐压程度的应用 范围。图 1 所示为 PE 产品实际使用电压与产品容量（功率） 的关系。
图 3 漏电流与漏电压的关系曲线
3.2 高阈值电压的 SiC-MOSFET SiC-MOSFET 一直是最受瞩目的碳化硅开关管，它不仅
具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和 高稳定性，而且，其驱动电路非常简单，与现有的电力电子 器件（硅功率 MOSFET 和 IGBT）驱动电路的兼容性，是碳 化硅器件中最佳的。
图 2 SiC-MOSFET 的表面图片
电源世界 2015/09 | 39
元器件
Eleme源自文库ts
率非常大。另一方面，按照本工艺程序，在潮湿氧化处理温度 增加的同时，虽然阈值电压高，但当阈值电压接近 5V 时，实 效通态阻抗不会极度变大。结果，这一改善的折衷关系，能在 更大阈值电压范围内显示出低通态阻抗。在 3mm×3mm 的芯 片内，可达到阈值电压 5.1V，实效通态阻抗为 5.2 mΩcm2， 这对于民生产品所要求的规格是满意的。
旨在取代 Si-IGBT 的 SiC –MOSFET, 当考虑对其产品化时， 又提出了按市场需求之一的高阈值电压这一指标。对用户而 言，迫切希望充分发挥 Si—IGBT 有实效控制系统的作用，甚 至对 SiC—MOSFET 也有相同程度 3V~5V 左右提高阈值电压 的要求。SiC 与 Si 比较，能实现低阻抗而引人注目，但实际 上阻抗与阈值电压之间存在着折衷关系，据悉，高阈值电压 其有利之处不多，通常是藉调整 MOS 沟道部的杂质浓度来设 定阈值电压。但为获得高阈值电压，一旦增加沟道部的杂志 浓度，沟道部的移动度将减缓，结果，元件的通态阻抗增加。 这样，因 SiC 的 MOS 界面电平密度依然高，沟道阻抗占通态 阻抗的比例大，这是一个重要原因之一。要打破这一折衷关系， 对高阈值电压的要求，只能考虑民生意向特强（民生特别需求） 的产品。
1 前言
针对今天的地球环境与能源紧缺问题，在供电方面，增 强了利用可再生能源的意识；另一方面，为实现电力消费时的 节能，对利用电力电子（PE）器件的期待愈益迫切，预计未 来将推动电力电子市场的不断扩大。对用于机器控制的功率 器件而言，必须经常持续追求器件的高性能化，从而达到低 损耗化。目前采用 Si 功率器件，尤其是 IGBT，随着时代的更 新应力求提高性能，以支撑着今天我们生活和工业上的需求。 但是，在产品设计阶段，对器件性能改善的要求越来越严格， 应在 Si 的成熟技术基础上进行跳跃式的技术提升，以便成功 实现更进一步高性能的穿越（break through）。
作为硅基开关管的混合式 SiC 模块中的二极管，主要使 用 SiC-SBD，但这在 PiN 二极管中，SiC 的内部（bulit in）电 压高，因而通态电压高，并因为双向的通流担心出现特性劣 化问题。另一方面，作为全 SiC 模块中的开关管，低功耗电 压驱动的 MOSFET 是典型的器件。由于通态电压降低和起因 于 MOS 界面的可靠性问题，继而又开发了 JFET。
SiC 结型场效应晶体管（JFET）有着高输入阻抗、低噪音
和线性度好等特点，是目前发展较快的 SiC 器件，并率先实 现了商业化。与 MOSFET 相比，JFET 器件不存在栅氧层缺陷 造成的可靠性和载流子迁移率过低的限制，同时，单极性工作 特性使其保持了良好的高频工作能力。另外，JFET 器件具有 更佳的高温工作稳定性和可靠性。SiC-JFET 器件栅极的结型 结构，使得通常 JFET 的阈值电压大多为负，即常通型（normanly on）器件，这对于电力电子的应用极为不利，无法与目前通 用的驱动电路兼容。美国 Semi south 公司和 Rutgers 大学通过 引入沟槽注入式工艺，已开发正常断开工作状态的增强型器 件。不过，常通型 JFET 更易实现高的功率密度和电流能力。
图 4 沟道移动度与阈值电压的折衷关系
图 5 实效通态电阻与阈值电压的折衷关系 3.3 SiC 器件的可靠性
当考虑 SiC 器件和模块向功率器件市场销售时，在开发 阶段的可靠性验证是不可或缺的。这涉及到 HTRB（高温反 向 偏 压 ）、NTGB（ 高 温 棚 偏 压 ）、 连 续 导 电、 耐 潮 湿 性、 TDDB（随时间变化的介质击穿）、临界特性等多个方面。按 照全部品质保证的要求，为达到满足设定规格的结构，应进 行优化设计，仅对通过各种试验合格的芯片，从开发品到最 终产品进行升华。可靠性试验中，尤其以 SiC-MOSFET 作为 重点，这是取因于 MOS 界面的项目，因界面的电平密度比 Si 的高，对起因于沟道周边的可靠性担心更大。例如，已指出 随时间变化的阈值电压偏移（shift）, 但通过器件的改进，这
SiC 器件基本上是参照 Si 的工艺方法，并利用 Si 的加 工装置而进行制作的。但是，制造上必须注意的地方很多， 例如，SiC 的处理温度远比 Si 的温度高，杂质的热扩散非常 小，为透明基板等，在加工工艺方面，杂质的激活退火温度 （~1700℃）、外延（晶体取向，epitaxial）生长（1500℃）、 氧化 / 氮化处理（~1300℃）等，必须开发在原 Si 基技术上已 飞速发展的批量制造装置。
另一方面，在双极性器件中，由结晶缺陷（换位）造成的 双向电流流通，会加重叠片缺陷，因而导致通电特性劣化。故 设法提高结晶品质是实用化的必须课题。可是，对 MOSFET 而言，因结构上内藏主体二极管（PN 二极管），将此作为逆 导二极管予以利用，优点是由功率模块中开关元件成对配置 的逆导二极管，在 SiC 模块场合，其多数可减少 SBD（肖特 基势垒二极管）的面积或甚至取消 SBD，以实现模块的小型 化和低成本化。以上所述，由利用以往对硅功率器件所掌握 的技术积累和设计理念，可以说，SiC 是能大幅度提高性能、 又能在广阔的耐压范围内提供解决方案的理想材料。
元器件
Elements
SiC 功率芯片及 SiC 功率模块的产品化开发动向
Development Trend of the Transition of SiC Power IC and SiC Power Module
邓隐北 1 ， 郭学梅 2 ， 张子亮 1 ， 史谦东 1 1. 河南亮明电控设备有限公司； 2. 新乡学院 Deng Yinbei1, Guo Xuemei2, Zhang Ziliang1, Shi Qiandong1 1. Henan Liangming Electric Control Equipment Co., Ltd 2. Xinxiang University 摘 要：SiC 以其具有高绝缘击穿电场强度的特性，非常适宜于功率半导体器件应用。本文系统阐述了 SiC 功率芯片及 SiC 功率 模块的产品化开发动向。 关键词：功率芯片 SiC 高绝缘击穿电场强度 Abstract: SiC is adaptable to the application of power semiconductor devices due to its feature of high-dielectric breakdown strength. This paper introduces the development trend of the transition of SiC power IC and SiC power module. Key words: Power IC, SiC, High-dielectric breakdown strength ［中图分类号］TN303 ［文献标识码］ A 文章编号：1561-0349（2015）09-0038-05
3 SiC 功率芯片的开发
3.1 SiC 器件 一般功率模块是由二极管和晶体三极管组成的，SiC 器
件 主要 包 括 二 极 管 和 开 关 管。SiC 二 极 管 有 肖 特 基 二 极 管 （SBD）及其新型结构和 PiN 型二极管。SiC 开关管的种类较 多，具有代表性的开关管有金属氧化物半导体场效应开关管 （MOCFET）, 结型场效应开关管（JFET），绝缘栅双极开关 管（IGBT）3 种。
图 2 所示为 SiC-MOSFET 的表面照片实例，是以多个晶 粒间距 10μm 左右的正方形单元电池并列配置的结构。对比 梳形结构，沟槽宽的密度增加，因而导通阻抗低。图 3 为已制 成 1200V 耐压的 SiC-MOSFET 的漏极电流与漏极电压的关系。 芯片的面积约 9mm×9mm，但该元件的过流能力可达 300A。 本芯片已显示的实效通态阻抗为 4mΩcm2，雪崩（ava|anche） 电压为 1.3kV。正期待着即使将 SiC 芯片大面积化，也要在 1 个芯片上增大其工作的电流量，以便适应功率器件的用途。 近年来，在结晶品质提高的同时，有关的报导也相应的增多。 因基板单价的性价比低（价格偏高），从降低成本的角度， 提高电流密度，即使额定电流相同，但能缩小芯片面积也是 重要的。总的来说，不仅要考虑热设计，还应该积极实现大 电流容量化。
图 4 所示为棚氧层（棚极氧化膜）形成工艺的折衷关系 曲线，图中，测绘了横型 MOSFET TEG( 测绘元件组 ) 实效沟 道的移动度与阈值电压的关系。由原来方式向沟道注入 AI， 使阈值电压增加和沟道移动度下降的折衷关系（对应于图上 的“无潮湿氧化”）；一般棚极氧化氮化膜形成后，再度低 温加以潮湿氧化，则如图上“有潮湿氧化”所示的折衷曲线， 可达到约 2V 左右的改善。图 5 为纵型耐压 MOSFET 中实效 通态电阻与阈值电压的关系，以及与潮湿氧化处理温度的依赖 关系。未追加潮湿氧化的原来方法在棚氧膜形成时（相对于图 中的点线所示），阈值电压增加导致的实效通态阻抗的增加
图 1 实际使用电压与产品容量的关系
元器件
Elements
从 家 用 电 器 等 面 向 民 生 的 低 耐 压 器 件（ 器 件 耐 压 ~600V）， 混 合 式 电 动 汽 车（HEV） 和 工 业 用 途 的 1200V~1700V 中耐压品种，然后到铁路及输配电系统的高耐 压、 超 高 耐 压 品 种（ 数 kV~ 数 10kV），SiC 是 未 来 可 宽 范 围复盖应用的材料。在这方面很多的研究成果已经报导，而 且一部分低 / 中耐压产品中，已开始进入了实用化。对于从 数 10V~100V 左右的 Si 基产品应用来说，难于达到按成本和 性能平衡的优越性，因而未积极的进行产品开发。作为 1kV 左右的开关器件，因采用比 Si-IGBT 导通损耗更低的单极性 （unipolar）器件 SiC-MOSFET，故由于高速通断导致的开关 损耗降低，低负荷时的导通损耗也可降低。而且，尤其对于 Si，现实中没有超过 10kV 的芯片，但对于 SiC 就能予以实现。 在这样的一个耐压领域中，漂移阻抗占据通态阻抗的大部分， 故不用单极性操作的 MOSFET，而采用双极性操作的 IGBT。 由于导电度的调制效果，可实现将通态损耗减小到比理论极 限还要低的低阻抗化。这对例如输配电系统等不要求高速开 关的应用来说，被认为是有效的。
38 | The World of Power Supply Sept 2015
2 SiC 功率模块的产品领域
SiC 与 Si 器件结构相同，基于工作原理对 SiC 功率器件 的设计是可能的。与 GaN( 氮化镓 ) 和金刚石（diamond）等 其它宽禁带（隙）半导体材料比较，在制造上和操作上，SiC 和 Si 的匹配性高。从功率器件的元件耐压观点看，SiC 对比 Si，具有绝缘击穿电场强度约高 10 倍、带隙约大 3 倍这一适 合功率器件应用的物理性质，故认为有更高耐压程度的应用 范围。图 1 所示为 PE 产品实际使用电压与产品容量（功率） 的关系。
图 3 漏电流与漏电压的关系曲线
3.2 高阈值电压的 SiC-MOSFET SiC-MOSFET 一直是最受瞩目的碳化硅开关管，它不仅
具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和 高稳定性，而且，其驱动电路非常简单，与现有的电力电子 器件（硅功率 MOSFET 和 IGBT）驱动电路的兼容性，是碳 化硅器件中最佳的。
图 2 SiC-MOSFET 的表面图片
电源世界 2015/09 | 39
元器件
Eleme源自文库ts
率非常大。另一方面，按照本工艺程序，在潮湿氧化处理温度 增加的同时，虽然阈值电压高，但当阈值电压接近 5V 时，实 效通态阻抗不会极度变大。结果，这一改善的折衷关系，能在 更大阈值电压范围内显示出低通态阻抗。在 3mm×3mm 的芯 片内，可达到阈值电压 5.1V，实效通态阻抗为 5.2 mΩcm2， 这对于民生产品所要求的规格是满意的。
旨在取代 Si-IGBT 的 SiC –MOSFET, 当考虑对其产品化时， 又提出了按市场需求之一的高阈值电压这一指标。对用户而 言，迫切希望充分发挥 Si—IGBT 有实效控制系统的作用，甚 至对 SiC—MOSFET 也有相同程度 3V~5V 左右提高阈值电压 的要求。SiC 与 Si 比较，能实现低阻抗而引人注目，但实际 上阻抗与阈值电压之间存在着折衷关系，据悉，高阈值电压 其有利之处不多，通常是藉调整 MOS 沟道部的杂质浓度来设 定阈值电压。但为获得高阈值电压，一旦增加沟道部的杂志 浓度，沟道部的移动度将减缓，结果，元件的通态阻抗增加。 这样，因 SiC 的 MOS 界面电平密度依然高，沟道阻抗占通态 阻抗的比例大，这是一个重要原因之一。要打破这一折衷关系， 对高阈值电压的要求，只能考虑民生意向特强（民生特别需求） 的产品。
1 前言
针对今天的地球环境与能源紧缺问题，在供电方面，增 强了利用可再生能源的意识；另一方面，为实现电力消费时的 节能，对利用电力电子（PE）器件的期待愈益迫切，预计未 来将推动电力电子市场的不断扩大。对用于机器控制的功率 器件而言，必须经常持续追求器件的高性能化，从而达到低 损耗化。目前采用 Si 功率器件，尤其是 IGBT，随着时代的更 新应力求提高性能，以支撑着今天我们生活和工业上的需求。 但是，在产品设计阶段，对器件性能改善的要求越来越严格， 应在 Si 的成熟技术基础上进行跳跃式的技术提升，以便成功 实现更进一步高性能的穿越（break through）。
作为硅基开关管的混合式 SiC 模块中的二极管，主要使 用 SiC-SBD，但这在 PiN 二极管中，SiC 的内部（bulit in）电 压高，因而通态电压高，并因为双向的通流担心出现特性劣 化问题。另一方面，作为全 SiC 模块中的开关管，低功耗电 压驱动的 MOSFET 是典型的器件。由于通态电压降低和起因 于 MOS 界面的可靠性问题，继而又开发了 JFET。
SiC 结型场效应晶体管（JFET）有着高输入阻抗、低噪音
和线性度好等特点，是目前发展较快的 SiC 器件，并率先实 现了商业化。与 MOSFET 相比，JFET 器件不存在栅氧层缺陷 造成的可靠性和载流子迁移率过低的限制，同时，单极性工作 特性使其保持了良好的高频工作能力。另外，JFET 器件具有 更佳的高温工作稳定性和可靠性。SiC-JFET 器件栅极的结型 结构，使得通常 JFET 的阈值电压大多为负，即常通型（normanly on）器件，这对于电力电子的应用极为不利，无法与目前通 用的驱动电路兼容。美国 Semi south 公司和 Rutgers 大学通过 引入沟槽注入式工艺，已开发正常断开工作状态的增强型器 件。不过，常通型 JFET 更易实现高的功率密度和电流能力。
图 4 沟道移动度与阈值电压的折衷关系
图 5 实效通态电阻与阈值电压的折衷关系 3.3 SiC 器件的可靠性
当考虑 SiC 器件和模块向功率器件市场销售时，在开发 阶段的可靠性验证是不可或缺的。这涉及到 HTRB（高温反 向 偏 压 ）、NTGB（ 高 温 棚 偏 压 ）、 连 续 导 电、 耐 潮 湿 性、 TDDB（随时间变化的介质击穿）、临界特性等多个方面。按 照全部品质保证的要求，为达到满足设定规格的结构，应进 行优化设计，仅对通过各种试验合格的芯片，从开发品到最 终产品进行升华。可靠性试验中，尤其以 SiC-MOSFET 作为 重点，这是取因于 MOS 界面的项目，因界面的电平密度比 Si 的高，对起因于沟道周边的可靠性担心更大。例如，已指出 随时间变化的阈值电压偏移（shift）, 但通过器件的改进，这
SiC 器件基本上是参照 Si 的工艺方法，并利用 Si 的加 工装置而进行制作的。但是，制造上必须注意的地方很多， 例如，SiC 的处理温度远比 Si 的温度高，杂质的热扩散非常 小，为透明基板等，在加工工艺方面，杂质的激活退火温度 （~1700℃）、外延（晶体取向，epitaxial）生长（1500℃）、 氧化 / 氮化处理（~1300℃）等，必须开发在原 Si 基技术上已 飞速发展的批量制造装置。
另一方面，在双极性器件中，由结晶缺陷（换位）造成的 双向电流流通，会加重叠片缺陷，因而导致通电特性劣化。故 设法提高结晶品质是实用化的必须课题。可是，对 MOSFET 而言，因结构上内藏主体二极管（PN 二极管），将此作为逆 导二极管予以利用，优点是由功率模块中开关元件成对配置 的逆导二极管，在 SiC 模块场合，其多数可减少 SBD（肖特 基势垒二极管）的面积或甚至取消 SBD，以实现模块的小型 化和低成本化。以上所述，由利用以往对硅功率器件所掌握 的技术积累和设计理念，可以说，SiC 是能大幅度提高性能、 又能在广阔的耐压范围内提供解决方案的理想材料。
元器件
Elements
SiC 功率芯片及 SiC 功率模块的产品化开发动向
Development Trend of the Transition of SiC Power IC and SiC Power Module
邓隐北 1 ， 郭学梅 2 ， 张子亮 1 ， 史谦东 1 1. 河南亮明电控设备有限公司； 2. 新乡学院 Deng Yinbei1, Guo Xuemei2, Zhang Ziliang1, Shi Qiandong1 1. Henan Liangming Electric Control Equipment Co., Ltd 2. Xinxiang University 摘 要：SiC 以其具有高绝缘击穿电场强度的特性，非常适宜于功率半导体器件应用。本文系统阐述了 SiC 功率芯片及 SiC 功率 模块的产品化开发动向。 关键词：功率芯片 SiC 高绝缘击穿电场强度 Abstract: SiC is adaptable to the application of power semiconductor devices due to its feature of high-dielectric breakdown strength. This paper introduces the development trend of the transition of SiC power IC and SiC power module. Key words: Power IC, SiC, High-dielectric breakdown strength ［中图分类号］TN303 ［文献标识码］ A 文章编号：1561-0349（2015）09-0038-05
3 SiC 功率芯片的开发
3.1 SiC 器件 一般功率模块是由二极管和晶体三极管组成的，SiC 器
件 主要 包 括 二 极 管 和 开 关 管。SiC 二 极 管 有 肖 特 基 二 极 管 （SBD）及其新型结构和 PiN 型二极管。SiC 开关管的种类较 多，具有代表性的开关管有金属氧化物半导体场效应开关管 （MOCFET）, 结型场效应开关管（JFET），绝缘栅双极开关 管（IGBT）3 种。
图 2 所示为 SiC-MOSFET 的表面照片实例，是以多个晶 粒间距 10μm 左右的正方形单元电池并列配置的结构。对比 梳形结构，沟槽宽的密度增加，因而导通阻抗低。图 3 为已制 成 1200V 耐压的 SiC-MOSFET 的漏极电流与漏极电压的关系。 芯片的面积约 9mm×9mm，但该元件的过流能力可达 300A。 本芯片已显示的实效通态阻抗为 4mΩcm2，雪崩（ava|anche） 电压为 1.3kV。正期待着即使将 SiC 芯片大面积化，也要在 1 个芯片上增大其工作的电流量，以便适应功率器件的用途。 近年来，在结晶品质提高的同时，有关的报导也相应的增多。 因基板单价的性价比低（价格偏高），从降低成本的角度， 提高电流密度，即使额定电流相同，但能缩小芯片面积也是 重要的。总的来说，不仅要考虑热设计，还应该积极实现大 电流容量化。
图 4 所示为棚氧层（棚极氧化膜）形成工艺的折衷关系 曲线，图中，测绘了横型 MOSFET TEG( 测绘元件组 ) 实效沟 道的移动度与阈值电压的关系。由原来方式向沟道注入 AI， 使阈值电压增加和沟道移动度下降的折衷关系（对应于图上 的“无潮湿氧化”）；一般棚极氧化氮化膜形成后，再度低 温加以潮湿氧化，则如图上“有潮湿氧化”所示的折衷曲线， 可达到约 2V 左右的改善。图 5 为纵型耐压 MOSFET 中实效 通态电阻与阈值电压的关系，以及与潮湿氧化处理温度的依赖 关系。未追加潮湿氧化的原来方法在棚氧膜形成时（相对于图 中的点线所示），阈值电压增加导致的实效通态阻抗的增加
图 1 实际使用电压与产品容量的关系
元器件
Elements
从 家 用 电 器 等 面 向 民 生 的 低 耐 压 器 件（ 器 件 耐 压 ~600V）， 混 合 式 电 动 汽 车（HEV） 和 工 业 用 途 的 1200V~1700V 中耐压品种，然后到铁路及输配电系统的高耐 压、 超 高 耐 压 品 种（ 数 kV~ 数 10kV），SiC 是 未 来 可 宽 范 围复盖应用的材料。在这方面很多的研究成果已经报导，而 且一部分低 / 中耐压产品中，已开始进入了实用化。对于从 数 10V~100V 左右的 Si 基产品应用来说，难于达到按成本和 性能平衡的优越性，因而未积极的进行产品开发。作为 1kV 左右的开关器件，因采用比 Si-IGBT 导通损耗更低的单极性 （unipolar）器件 SiC-MOSFET，故由于高速通断导致的开关 损耗降低，低负荷时的导通损耗也可降低。而且，尤其对于 Si，现实中没有超过 10kV 的芯片，但对于 SiC 就能予以实现。 在这样的一个耐压领域中，漂移阻抗占据通态阻抗的大部分， 故不用单极性操作的 MOSFET，而采用双极性操作的 IGBT。 由于导电度的调制效果，可实现将通态损耗减小到比理论极 限还要低的低阻抗化。这对例如输配电系统等不要求高速开 关的应用来说，被认为是有效的。