SiC MOS卓越性能的材料本源

来源：凌锐半导体

SiC MOS凭借其性能优势为越来越多的行业，如储能，充电桩，光伏逆变器所采用。特别是在采用800V电池系统的新能源车中1200V SiC MOS是主驱逆变器和车载充电的最佳选择。本文通过对比Si，4H-SiC和GaN的材料特性，系统的阐述SiC MOS卓越性能的材料本源。

参见图一对于平面MOS来说其导通电阻主要由三部分组成，即沟道电阻（Rch）, 器件外延层电阻 （Repi）和衬底电阻Rsub。其中器件外延层电阻和器件耐压有着强相关的关系。表一列出30V，100V和600V Si 平面MOS Rch，Repi和Rsub的相对贡献。针对30V MOS Rch，Repi和Rsub三者各自占比在30%-35%之间。随着器件耐压增加，器件外延层厚度需要增加与此同时需要降低外延层的掺杂浓度，从而使得器件能承受目标耐压；这导致器件外延层电阻贡献显著增加。以600V Si平面MOS为例，外延层电阻Repi对整个器件的电阻贡献达到96%。因此如何优化器件减少导通电阻一直是Si基功率器件发展的主旋律之一。

针对300V以下的Si MOS，工业界首先商业化Si 沟槽型MOS (Si Trench MOS) 用来降低器件的导通电阻，在此基础上行业进一步开发出Si SGT MOS (Si Shield Gate Trench MOS) 来进一步降低导通电阻和开关损耗。目前业界300V以下的高性能MOS基本为Si SGT MOS。针对500V – 950V的功率器件，陈星弼院士提出的超级结MOS （SJ MOS）为英飞凌以CoolMOS品牌发扬光大且相应技术平台已经发展到第八代。Si SJ MOS 能显著降低器件的开关损耗和导通损耗，已广泛应用在服务器电源，通讯电源，和PC电源等各类电源应用中。与此同时采用IGBT结构的功率器件在500V - 950V电压段也有自己的一席之地。相对 Si SJ MOS, Si IGBT开关损耗大但成本低，主要用在低频类（电机）应用中。随着IGBT 技术的不断演进，Si IGBT的开关损耗得到显著的改进，已逐步渗透进入OBC，充电桩等高效率电源类应用。针对1200V - 6500V电压等级的功率器件，采用IGBT结构是Si 基功率器件的第一选择。

采用4H-SiC作为制造功率器件的材料则彻底打破了这种格局，4H-SiC相对Si的特有材料属性使得SiC MOS成为新型功率器件的最佳选择之一。表二对比了Si, 4H-SiC和 GaN的材料特性，相对于GaN，4-SiC的最大优势是：在4H-SiC上可以直接通过热氧化（thermal oxidation）生长SiO2（优势一）和散热能力强（优势二）。优势一使得用SiC作为材料制造MOS结构的功率器件成为可能，且制造SiC MOS所用工艺可以和现有大部分Si工艺相兼容。SiC 散热能力 (热导率) 是Si和GaN的3.3和2.5倍左右（优势二），这让SiC 功率器件特别较适合大功率应用。4H-SiC电子漂移饱和速度Vsat为Si材料的2.2倍，让SiC器件可以更快进行开关，且在同样时间内流过单位面积的电流更多，从而显著降低导通电阻。

4H-SiC相对于Si材料的另外两大优势为：Ec和Eg 分别是Si的9.3和2.9倍。这两大优势让SiC MOS 特别适合高功率，高温和高频应用。本文以下篇幅重点介绍Eg和Ec对功率器件的意义和对应用的价值。

Ec对功率器件和应用的价值

参见图一对于N型MOS来说，其Body为P型掺杂 (P body)，外延层为N型掺杂（N EPI）。P body和N EPI形成MOS体二级管。参见图二(a) 和 (b)，MOS关闭时P body区域形成很薄的带负电的耗尽层，N EPI形成带正电的耗尽层, N EPI区域的耗尽层厚度远大于P body 区域的耗尽层。PN耗尽层形成的电场分布参见图二(c)，最大电场介于PN结界面，三角形面积的大小代表器件承受的电压，最大电场不能超过材料的临界击穿电场Ec。由此可见，器件的耐压基本上由Ec和在器件外延层形成的耗尽层厚度ddepletion决定。根据半导体器件物理，有公式1-3：

在公式（1）-（3）中，q为电子电荷，ε0为真空介电常数εr为材料相对介电常数，un为材料的电子迁移率，Ec为材料的临界击穿电场，Vbr为器件耐压。Si和SiC的相对介电常数比较接近分别为11.8和 9.7-10.2，Si和SiC的电子迁移率分别为1400cm2/Vs和1000-1200cm2/Vs，而SiC 的Ec是硅材料的9.3倍。参见公式（1）和（3），在同样的器件耐压下采用SiC做为器件外延层可显著增加器件外延层的掺杂浓度，与此同时大幅降低器件外延层的厚度。这让SiC平面MOS相对Si平面MOS和 Si SJ MOS有着显著的Rsp优势。

图三对比了Si平面MOS， Si SJ MOS，和SiC MOS Rsp与器件耐压的关系。由于SiC材料的Ec特性，采用平面MOS 结构的SiC MOS Rsp性能远远优于Si平面MOS和SJ MOS，且SiC MOS性能整体优于Si SJ MOS。以600V/650V MOS为例, 采用SiC MOS方案可以将3-4kW服务器电源整体效率提升至少0.5%。随着AI的普及，AI服务器是传统服务器用电量的3倍以上，采用SiC MOS是满足AI服务器能效要求的最佳选择。SiC MOS 体二级管的Qrr是Si快恢复系列SJ MOS Qrr 的10% 或更小。这使得SiC MOS体二级管非常皮实（Body diode robustness），可以用在软开关和硬开关拓扑上。

IGBT关断时存在拖尾电流，MOS则不存在。由于采用MOS而非IGBT结构，SiC MOS开关性能显著优于Si IGBT。以1200V SiC MOS和 Si IGBT 来说，SiC MOS的开关损耗相对Si IGBT 可降低近70%, 整体性能提升60%以上。这对实际应用有着具体的经济价值，如采用SiC MOS作为主驱控制器功率器件，可将整车续航里程提升近10%。在充电桩和储能应用采用SiC MOS可提升系统效率近2%，整机功率密度提升近30%。

Eg对功率器件和应用的价值

从材料学的角度没有掺杂的半导体为本征半导体，本征半导体不导电，其本征电子密度和空穴密度（本征载流子密度）相同，且和温度及材料禁带宽度有着强相关的关系。本征半导体的电子和空穴浓度（既本征载流子浓度）为：

在公式（4）中，Eg为材料禁带宽度，C和为常数，[K]表示温度单位开尔文。当对本征半导体进行N型（或P型）掺杂时，自由电子浓度和自由空穴浓度不再相等，本征半导体变成N型(电子导电)或P型（空穴导电）半导体进行导电。正常工作时载流子浓度为N或P型掺杂浓度（Nd/Na）, 且远大于材料的本征载流子密度。

任何功率半导体器件都有稳定的工作温度区间，在这个稳定工作区间内材料的载流子密度为材料的掺杂浓度。半导体器件的稳定工作区间与温度以及材料禁带宽度有着强相关的关系。参见图4(a），在低温时半导体掺杂原子的电子（空穴）无法得到足够的能量而离开掺杂原子进行导电；在此情况下自由电子密度和自由空穴密度相同，材料为绝缘体。当温度足够高时，掺杂原子失去电子或空穴，载流子密度为掺杂密度。随着温度的升高，本征载流子密度增加，在某个温度范围内本征载流子密度远低于材料掺杂密度，本征载流子的贡献可忽略不计半导体稳定工作。而当温度足够高时，本征载流子密度接近或大于掺杂密度，半导体不再能够稳定工作。

图4（b）显示了SiC和Si两种材料本征载流子密度随温度的变化, 由于SiC Eg是Si的2.9倍，这使得SiC材料本征载流子密度在同样温度下远远低于Si材料的本征载流子密度。在不考虑封装等外部因素的影响下，N型Si材料在接近400摄氏度时。本征载流子密度已经和掺杂密度接近，器件无法正常工作。而对SIC材料来说，即使是温度达到1000摄氏度时，本征载流子密度还是远远低于材料掺杂浓度，SiC器件还能正常工作。

综上所述，SiC材料的Ec特性（Ec是Si的9.3倍）使得耐压等级不低于600V 的SiC平面MOS有着极优的导通电阻，在SiC上能够热氧化生长SiO2让大规模制造基于SiC材料的 MOS成为可能；其Eg特性（Eg是Si的2.9倍）让SiC MOS 在高温应用中能稳定工作；而其卓越的导热特性（导热率是Si的3.3倍）让SiC MOS非常适合大功率应用；SiC电子迁移饱和速度特性（Vsat是Si的2.2倍）进一步助力SiC MOS在高频上的应用，这些材料特性的加持使得SiC MOS在高频，大功率，和高温应用中有着得天独厚的优势。

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审核编辑 黄宇