碳化硅MOSFET为电力系统带来颠覆性突破

电力电子行业在 80 年代初期向前迈出了一大步，当时绝缘栅双极晶体管 （IGBT） 技术的引入使创新型电源转换器的设计成为可能，从而以更低的成本实现更高的效率。IGBT 可以以低导通电阻（即低饱和电压）阻止高电压，并且可以在相对较高的开关频率下工作。然而，随着开关频率的增加，开关损耗也会增加。反过来，这会产生更多需要正确散热的热量，从而增加成本并降低系统效率。

碳化硅 （SiC）技术大大降低了开关损耗，保持了相同的电压阻断能力，但具有前所未有的效率、更好的热管理和更小的尺寸。与标准硅基技术相比，宽带隙技术具有许多优势。工作温度可以更高，热管理得到改进，并且在轻负载条件下开关和传导损耗都降低了。

碳化硅的历史

尽管碳化硅材料几十年来一直是研究的主题，但直到 80 年代后期才有人建议将其用于功率器件制造。世界各地的实验室付出了相当大的努力来提高垂直功率器件（如高压肖特基势垒和 SiC MOSFET）所需的 SiC 衬底和六方 SiC 外延的质量。研究活动在接下来的十年中继续进行，产生了越来越有希望的结果。

英飞凌于 2001 年发布了第一款商用 SiC 器件，肖特基二极管。第一款器件出现了一些现场故障，主要与器件架构和材料质量有关。结势垒肖特基 （JBS） 二极管架构的引入有助于实现更好的峰值电场分布。研究人员还改进了基板和外延的质量。 JBS 架构随后演变为合并的 PN/肖特基结构 （MPS），它结合了对肖特基势垒的电场屏蔽和通过引入真正的少数载流子注入增加的浪涌电流能力。今天的 SiC 二极管已经实现了前所未有的可靠性，总故障时间 （FIT） 率比硅基功率二极管低 10% 到 15%。

碳化硅 MOSFET 的演变

第一个 SiC 功率晶体管是 SemiSouth 于 2008 年向市场发布的 1，200-V 结型场效应晶体管 （JFET）。之所以选择 JFET 方法是因为双极结型晶体管 （BJT） 和 MOSFET 替代品被认为无法支持碳化硅技术当时足够。BJT 解决方案由于需要高开关电流、显着的功率损耗以及该技术对双极退化的敏感性而被废弃。通常，JFET 通常位于晶体管上，但 SemiSouth 主要出于安全原因选择了常关 JFET。尽管该设备在效率、功率密度和可靠性方面取得了高性能结果，但事实证明它很难大批量生产。

接下来是 SiC MOSFET，由于其与硅 IGBT 的相似性，因此更易于生产。尽管如此，SiC MOSFET 存在一些问题，主要与栅极氧化物有关。早在 1970 年代，一些研究人员就注意到纯 SiC 和生长的 SiO2之间的过渡区受到氧化物陷阱的影响，这抑制了载流子迁移率并导致阈值电压不稳定。1990 年代末和 2000 年代初进行的研究调查了该问题并提出了减轻负面影响的策略。在潮湿环境中的氧化，使用 H2O 作为氧化剂而不是干燥的 O2，产生了实质性的改进。

在潮湿环境中的氧化，使用 H2O 作为氧化剂而不是干燥的 O2，产生了实质性的改进。使用离轴基板、氮化以及最终采用几乎没有设备杀伤微管的 150 毫米（6 英寸）晶圆取得了进一步的进步。

随着制造商将注意力转向开发更多更高性能的器件，碳化硅 MOSFET 研究的已发表进展略有下降，但预计碳化硅 MOSFET 阈值电压稳定性、工艺筛选和栅极氧化物可靠性将进一步改进（图 1）。

碳化硅MOSFET质量

在过去几年中，多家供应商发布了 1，200-V 碳化硅 MOSFET，具有高沟道迁移率、长氧化物寿命和高阈值电压稳定性。美国国家标准与技术研究院 （NIST） 的研究人员利用瞬态介质击穿 （TDDB） 等寿命加速技术，预测一家主要制造商的 SiC MOS 技术的氧化物寿命将超过 100 年，甚至结温高于 200°C。

图 2：在 175°C 下进行的 HTGB 压力测试，具有正负 VGS

还应注意的是，虽然硅 MOS 中通常存在与温度相关的加速因子，但 NIST 研究人员尚未观察到 SiC MOS 的相同现象。图 2 显示了在 175°C 下对来自不同晶圆批次的多个器件进行的高温栅极偏置 （HTGB） 应力测试的结果。阈值电压稳定性很明显，并且没有观察到明显的偏移。

审核编辑：郭婷