碳化硅電力電子應用不止于汽車

毫無疑問，所謂的第三代寬禁帶半導體——碳化硅(SiC)——正在發揮其眾所周知的潛力，在過去五年內，汽車行業一直是該材料的公開試驗場?；赟iC的傳動系統逆變器——將來自電池側的直流電轉換為電機側所需的交流電的功率轉換器——比基于Si IGBT的原型產品更小、更輕、更高效。zhiednc

然而，電氣化議程不會以汽車開始和結束。更廣泛的運輸應用將很快出現，包括卡車和公共汽車、船舶和航運、火車的進一步電氣化，甚至飛機。在供電方面，并網太陽能發電系統和通過高壓直流(HVDC)鏈路傳輸能源，對于低碳能源的生產和分配也至關重要。zhiednc

這些應用的一個共同主題是更高系統電壓的潛在作用，因此，就需要使用更高電壓的功率器件。在電動汽車中，從400V轉變為800V的好處主要是可以實現更快的充電速率。在太陽能逆變器中，從1,000V系統到1,500V系統的持續轉變，正在減少光伏組件串、逆變器、電纜和直流接線盒的數量，所有這些都可以提高效率并節省成本。在標稱電壓為數百千伏的千兆瓦HVDC裝置中，較高的單個器件額定值可減少多級堆棧中所需的器件數量，從而減少維護和整體系統尺寸。zhiednc

SiC功率器件有可能成為這些領域的關鍵推動力。然而，今天市場上可用的SiC器件范圍非常窄，從650V到1,200V，只有少數1,700V器件可用；雖然3,300V在技術上看起來觸手可及，但只有GeneSiC公司在這個電壓水平提供了器件。zhiednc

當然，業界僅對汽車這一高利潤市場產生關注是可以理解的。這場爭奪該行業市場份額的競賽，已促使各個公司努力提高產能、采用200mm晶圓并提高產量。這就為打開高壓市場這類相對較小的市場所需的大量研發活動留下了空間。zhiednc

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圖1：當前的Si和SiC器件格局，以及對SiC未來潛在市場的預測。zhiednc

值得慶幸的是，研究部門一直在努力工作，也已經設計、制造和試用了許多更高電壓的SiC技術的演示產品，這讓我們很好地了解了SiC超級結(SJ)MOSFET、IGBT和晶閘管對這些高壓應用可能的影響。zhiednc

電壓上升，而不是下降？

650V仍將是SiC MOSFET的底線，這是一個相當安全的預測。圖2給出的單極型器件極限圖，描繪了當今的商用SiC器件，并繪制了它們的電阻與阻斷電壓的關系。這揭示了該技術的局限性。隨著電壓阻斷漂移區在650V時的厚度減小到僅有5µm，器件的電阻已減小到使來自SiC溝道區和襯底的固定電阻占主導地位的程度，從而阻止了進一步的尺寸縮小。盡管在未來幾代中改進650V MOSFET似乎有相當大的余地，但很難將這些固定電阻降低到足以支持商用300V SiC MOSFET的程度。zhiednc

在這些低電壓下，沒有溝道的器件(例如Qorvo/UnitedSiC的級聯型JFET)具有R_DS(on)優勢：晶圓減薄一些，可以實現電阻非常低的SiC FET。實際上，考慮到使用工業兼容方法可以進一步提高SiC溝道遷移率的實際限制，SiC JFET可能是唯一可以實現低于600V額定電壓的器件。zhiednc

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圖2：繪制在單極型器件極限圖上的當前650V和1,200V SiC器件的情況。zhiednc

擴大單極型SiC MOSFET的電壓等級

圖2中表示當前SiC技術限制的點劃線暗示的是，雖然SiC在650V和1,200V時是一種很好的技術，但它有可能在更高的電壓下變得更好。隨著將漂移區厚度放大到30µm以支持額定電壓為3.3kV的器件，其電阻超過了襯底和溝道的電阻，從而使器件更接近技術極限。因此，在未來，符合當今SiC器件質量的高壓SiC MOSFET，在高達10kV的電壓下將比現有的Si技術具有更大的優勢。zhiednc

從技術上講，幾乎沒有什么能阻止SiC MOSFET技術的規?；?。3.3kV器件在學術文獻中已經相當成熟¹，并且已經存在制造高達約10kV的優質外延層所需的技術。zhiednc

然而，正如使用PGC Consultancy機構的SiC裸片成本模型所建模的那樣，在這些更高的電壓下，SiC裸片的經濟性會發生變化。首先，所需的電壓越高，支持它的漂移區就必須越寬，因此外延成本就越高。其影響如圖3所示，由圖可知，對于60µm、6.5kV的器件，其外延成本將會超過襯底，成為其最大加工成本。zhiednc

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圖3：將SiC MOSFET擴展到15kV時的預計成本(不包括分選/鑒定后的裸片良率；外延良率以100A裸片和0.2個缺陷/cm²來建模)。zhiednc

雖然多晶片外延工具的創新可能會降低這一成本，但是由厚漂移區電阻引起的第二個成本問題是不可避免的。電壓等級每提高一級，都需要漂移區比以前的等級更厚且摻雜更低。隨著電壓加倍，電阻將增加大約5.5倍²。為了抵消這一點，并保持給定的電流/電阻額定值(圖3中的100A裸片)，就必須按比例增加裸片尺寸。然而，增加裸片尺寸會對良率產生復合影響，從而對成本產生影響。每個晶圓生產的裸片數量將會減少，而由外延缺陷報廢的比例則要高得多——即使可以保持低缺陷密度(圖3中為0.2個缺陷/cm²)。zhiednc

這些影響的結果如圖3所示，體現在更高電壓下不斷上升的外延良率成本，以及飛漲的裸片成本(15kV時達到650V裸片的75倍)。zhiednc

回想起來，SiC MOSFET 看起來是一種可實現最高可達6.5kV，甚至可達10kV的方案，但與這些器件相關的成本可能會阻礙更高電壓的實現。zhiednc

雙極型器件是解決方案

當然，歷史會重演，降低漂移區電阻以及裸片尺寸的關鍵是采用IGBT和晶閘管等雙極型解決方案，如圖4所示。與單極型MOSFET相比，雙極型器件的折衷方案要接受較慢的開關速度和較高的開關損耗，以此換取電導率調制的低電阻漂移區。對于任何需要10kV以上SiC器件的應用來說，這種權衡不太可能成為問題；以50/60Hz頻率工作的HVDC轉換器幾乎不需要快速、低損耗的開關。事實上，它們已經在使用Si IGBT和晶閘管。zhiednc

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圖4：本文所討論的功率器件的橫截面。zhiednc

然而，這些器件與當今的SiC MOSFET相比需要實現許多技術飛躍。第一個問題是傳統的N溝道IGBT和P基晶閘管都需要高度P型摻雜(P+)的集電區。由于在籽晶升華工藝中將P摻雜劑鋁摻入襯底中存在挑戰，因此無法得到P+襯底³。如上所述，目前SiC材料供應商幾乎沒有動力解決這個問題，因此不得不尋求其他解決方案。這通常涉及在N+襯底上生長所有器件層，然后使用與減薄MOSFET襯底相同的工藝研磨掉原始晶圓。業界已使用這種技術演示了許多6.5kV⁴、15kV⁵和27.5kV⁶電壓等級的IGBT，以及7.6kV⁷和20kV⁸的晶閘管。zhiednc

第二個問題是SiC的載流子壽命，必須要將這個值最大化，以便促進電導率調制。在Si制造領域，通常的問題是材料太純凈，以至于要引入缺陷來縮短該壽命，從而降低開關損耗。在SiC中，情況正好相反。由于在外延工藝中引入了稱為碳空穴的缺陷，因此載流子壽命就非常短(1~2µs)。因此，在IGBT/晶閘管制造之前，最廣泛的做法是使用壽命延長工藝(長氧化工藝)驅動碳進入漂移區，以此填充空穴，從而將該壽命延長至10~20µs。zhiednc

假設這兩種工藝都可以被大規模掌握和實施，那么在SiC中實現高質量的雙極型器件是可能的，這可以將給定電壓下的裸片面積減少多達10倍。直到現在還沒有提到的是，PIN二極管可能是第一個也是最容易推向市場的高壓SiC器件，因為這種器件可以直接在N+襯底上生產。zhiednc

介于兩者之間？

SJ器件是降低SiC MOSFET電阻的另一種潛在方法，它是全單極型MOSFET和IGBT之間的中間領域。然而，用于在Si中制造窄N型和P型柱的熟悉的深注入工藝^9,10在SiC中是不可能的，其高原子密度會導致非常淺的注入。因此，業界已發明了替代制造方法來創建所需的垂直PN柱，包括在SiC中蝕刻溝槽并用外延來對其進行重新填充。另一種方法²著眼于注入溝槽側壁。這些方法仍處于起步階段，仍有待克服的技術挑戰，但它們證明了SiC SJ器件是可能的。zhiednc

總結

與其他寬禁帶材料相比，SiC的巨大優勢在于其襯底是獨立的，并且具有天然的SiO₂氧化物。這使得復制所有眾所周知的Si功率器件拓撲結構成為可能，并且所有電壓等級都能提高。電動汽車的繁榮是啟動SiC行業、鼓勵市場競爭以及以更低的價格和更大的規模實現更高質量的材料所需的催化劑。然而，這也是擴大SiC電壓范圍，使其贏得650V和1,200V市場份額之后的第二要務的原因。然而，隨著時間的推移，SiC將會對電網、可再生能源和運輸行業產生影響。事實上，許多關于如何生產下一代SiC器件的解決方案已經很清楚了，在商業上實現它們只是時間問題。zhiednc

參考文獻

¹Kimoto, T., & Yonezawa, Y. (2018). “Current status and perspectives of ultrahigh-voltage SiC power devices.” Materials Science in Semiconductor Processing, Vol. 78, pp. 43–56. zhiednc

²Baker et al. (2021). “Optimization of 1700-V 4H-SiC Superjunction Schottky Rectifiers With Implanted P-Pillars for Practical Realization.” IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 68, No. 7, pp. 3497–3504. zhiednc

³Kimoto, T., & Cooper, J.A. (2014). Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications. IEEE. zhiednc

⁴Watanabe et al. (2016). “6.5 kV n-Channel 4H-SiC IGBT with Low Switching Loss Achieved by Extremely Thin Drift Layer.” Materials Science Forum, Vol. 858, pp 939–944. zhiednc

⁵Ryu et al. (2012). “Development of 15 kV 4H-SiC IGBTs.” Materials Science Forum, Vol. 717, pp. 1135–1138. zhiednc

⁶Brunt et al. (2014). “22 kV, 1 cm², 4H-SiC n-IGBTs with improved conductivity modulation.” 2014 IEEE 26th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs (ISPSD), pp. 358–361. zhiednc

⁷Xu et al. (2018). “High-Voltage 4H-SiC GTO Thyristor with Multiple Floating Zone Junction Termination Extension.” 2018 1st Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications in Asia (WiPDA Asia), pp. 149–152. zhiednc

⁸Cheng et al. (2013). “20 kV, 2 cm², 4H-SiC gate turn-off thyristors for advanced pulsed power applications.” 2013 19th IEEE Pulsed Power Conference (PPC), pp. 1–4. zhiednc

⁹Deboy et al. (1998). “A new generation of high voltage MOSFETs breaks the limit line of silicon.” International Electron Devices Meeting 1998. Technical Digest (Cat. No. 98CH36217), pp. 683–685. zhiednc

¹⁰Lorenz et al. (1999). “CoolMOS – a new milestone in high voltage power MOSFETs.” Proc. 11th International Symposium Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), pp. 3–10.zhiednc

作者簡介

• Peter Gammon是英國華威大學SiC功率器件教授暨PGC Consultancy創始人
• Arne Benjamin Renz是華威大學的研究員
• Guy Baker是華威大學的研究員

（原文刊登于EDN姊妹網站Power Electronics News，參考鏈接：SiC Power Electronics: Looking Beyond Automotive，由Franklin Zhao編譯。）zhiednc

本文為《電子技術設計》2022年7月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。zhiednc