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用于取代IGBT的碳化硅(SiC)MOSFET 技术成长追念

2019-11-01 13:16:35 源头:原创: Sinjin EETOP
碳化硅(SiC)是一种遍布运用的老牌产业质料,1893年已经最先大范畴生产了,至今了始终停在运用。了始终外做作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,碳化硅的弛缓用场是用作磨料,也被用于汽车制动盘,作为汽车润滑剂的平添剂以及珠宝钻石的调换品等。了始终外近来几十年来,它已经被用作电子质料,末了用于发光二极管(LED),近来又被用于电力电子设置装备排列,包罗肖特基势垒二极管(SBD),结型场效应晶体管(JFET)以及MOSFET晶体管。由于SiC MOSFET具备取代现有的硅超级结(SJ)晶体管以及集成栅双极晶体管(IGBT)技术的后劲,因此受到了特殊的体贴。

多年以前碳化硅半导体器件后劲已经为人所知。在1962年Lloyde Wallace获患了专利(US3254280A),这是一种碳化硅单极晶体管器件。它素质上是一个结型场效应晶体管。图1表现了Lloyde 1962年专利的图。在P型SiC主体中造成N型沟道地区。源极/漏极触点造成到N型沟道。栅极结构位于源极以及漏极之间,而且相应的栅电极位于SiC衬底的底侧。当初,UnitedSiC正在生产基于碳化硅的JFET ,尽管它们是为了进步功能而基于垂直构想,其中源极以及栅极位于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初次形貌了将SiC用于电力电子设置装备排列的短处1。Baliga在通用电气期间候发现白IGB。他当初是NCSU的杰出大学风教学。他患上出了一个称为BHFFOM的品行因数,该品行因数解释可能通过历程运用具备更大迁移率以及更高临界击穿场的半导体(譬如SiC甚至钻石)来增多功率斲丧。在这段时间表现了一系列与碳化硅的电力半导体运用干系的专利。
 

当时的弛缓候发现者之一是约翰·帕尔默(John Palmour),他于1987年在北卡罗莱纳州的三角钻研园配合创建了Cree。当初他是电源以及射频技术的首席技术官。Cree了始终停是SiC功率器件技术的弛缓驱能源之一。当他还在NCSU时,还是一名钻研生,他在1987年申请了一项弛缓专利,该专利导致了SiC基MOSFET晶体管的候发现。
 

该创始性专利(US4875083A)波及在SiC衬底上造成MOS电容器结构。
 

现摘录1987年此项专利发表的简介,形貌了当时SiC的成长形态: 
 

碳化硅了始终停是半导体器件的候选质料。长期以来,碳化硅了始终停被以为具备奇特的特色,这使患上它具备比其余通常运用半导体质料如硅(Si)、砷化镓(GaAs)以及磷化铟(InP)造成的半导体器件更良好的特色。碳化硅具备宽的带隙、高的熔点、低的介电常数、高的击穿场强、高的导热系数以及高的饱以及电子漂移速率。这些特色使碳化硅制成的器件有大概在更高的温度、更近的间隔、更高的功率级别以及其余一些由其余半导体质料制成的器件底子无奈事变的状况下事变。
 
尽管具备这些已经知的特色,但由碳化硅制成的高品质商用设置装备排列还没有问世。碳化硅是一种无比难从事的质料,它可能在150多种了始终同的多型中结晶。因此,在半导体质料上打造电子器件所需的单个多型或者特定多型碳化硅薄膜的大型单晶仍旧是一个难以实现的指标。
 
然而,近来,该范畴已经获患了了始终少巴望,这初次使在碳化硅上生产商业品行的电子设置装备排列成了大概。

然而,近来在这一范畴获患了一些巴望,使商用精良碳化硅电子器件的生产初次成了大概。
 

本专利图1以及图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打仗到掺杂的碳化硅衬底与中心圆形金属打仗在一层氧化物。由于底层SiC中的载流子斲丧,电容随外加电压的变迁而变迁。MOS电容结构是造成MOSFET晶体管的关键。 

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


希罕的是,在SiC衬底上,一个形貌大略的平面MOSFET晶体管的装配专利宛如着实了始终具备。很大概,这个认识在当时会被以为是显而易见的,了始终须要申请专利。还有一些专利形貌在碳化硅衬底上打造MOSFET晶体管的模式,形貌了基本结构大略MOSFET结构的变迁。譬如,Yoshihisa Fujii,Akira Suzuki以及Katsuki Furukawa 在1990年提交US5170231A,形貌了一种具备了始终同缺陷称源/泄电导率的SiC MOSFET。此后了始终久,1992年,约翰·帕尔默(John Palmour)申请了创始性专利(US5506421A),形貌了垂直沟槽栅极SiC MOSFET的结构。该申请是在1996年允许的,当初已经超过20年了,因此该专利已经逾期,所形貌的认识当初已经进入私有范畴。然而,在此专利之后有了始终少与SiC MOSFET干系的专利仍旧有用。譬如,搜寻表现Cree具备700多项与SiC MOSFET技术干系的有用专利。
 

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具备低导通电阻以及高温范畴,造成于碳化硅衬底的C面,类似于N型。在衬底上方造成N-漂移层,而后是P-沟道层。沟槽栅极穿透P-沟道层,而且造成N +源极区。金属源电极以及泄电极拆散位于管芯的顶部以及底部。这种沟槽架构偶然称为UMOS(U形栅极),以区别于平面DMOS(漂移MOS)构想。

 

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表现了CMF20120D器件中的平面晶体管栅极的横截面SEM显微照片。在此SEM显微照片中刻画了N +源以及P型身材植入物。

图4 Cree CMF20120D碳化硅平面MOSFET横截面


自2010年以来,碳化硅功率MOSFET市场分明扩展,当初每一年超过2亿美元。随着SiC在汽车、光伏、铁路等多个市场取代硅技术,了始终少新的退出者已经进入市场,有望实现两位数的复合年增长率。通常,SiC 功率MOSFET的事变电压为1200或者1700 V,旨在取代IGBT技术。近来宣告了650 V SiC MOSFET器件,其指标可能是与硅超级结以及基于GaN的技术相助。
 

看来Cree仍继续惟一于平面SiC MOSFET技术。然而,包罗英飞凌以及罗姆在内的其余厂商在接收沟槽或者UMOS技术。比拟之下,意法半导体(STMicroelectronics)也惟一于平面SiC MOSFET技术。图5表现了在罗姆 SCT3022AL 650 V SiCN沟道MOSFET 上候发现的沟槽栅极的横截面SEM显微照片。
 

图5与US5506421A的权利恳求1的比力解释,罗姆 SCT3022AL运用了John Palmour精沟槽SiC MOSFET专利中的了始终少成果。譬如,SEM图象表现沟槽,绝缘层以及栅电极的具备。 

图5 Rohm SCT3022AL 650 V SiC MOSFET横截面
 

碳化硅是一种奸淫*性的技术,随着在种种关键电力电子市场上它正在取代硅基技术的职位中央,正最先受到市场的体贴。自20世纪80年月中期以来,关键候发现家所做的翻新事变使这成了大概。据预想,到2025年,SiC电力电子市场范畴将超过10亿美元,而且大概会更早。

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