SiC IGBT的發展現狀及未來趨勢分析

記得不久前我們討論過SiC IGBT為什么沒有成為當下流行的IGBT器件，當時我們突出的一個因素是成本。最近，看到一篇文章，對于SiC IGBT的制造、特性和應用進行了較為系統的概述，下面基于這篇文章我們重新來聊聊SiC IGBT--一個是第三代寬禁帶半導體材料的翹楚，一個代表著功率器件的最高水平，應該有怎么樣的趨勢？

我們之前聊了太多關于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），其結合MOS的高輸入阻抗和雙極型期間的電流密度的特性，暫時成為當下最高水平的功率器件。而 傳統的Si IGBT最高電壓據說只能達到8.4KV ，接近Si器件的極限，但在高壓和大電流的應用中依舊能夠采用器件串并聯，或者多電平的拓撲來彌補電壓上限。但是，頻率和工作溫度卻限制了高壓大功率領域中Si IGBT的發展，同時減少器件數量，簡化系統結構也是發展趨勢，需要器件新的突破。而第三代寬禁帶半導體SiC的出現， 其在高壓、高溫、高功率的領域表現出更強的競爭力。 （此類領域其實并不太關注我們之前所說的“成本”這一因素）。

基于Si IGBT的優點，SiC IGBT同樣也結合了SiC MOSFTE和SiC晶體管的優點，即SiC界的最高水平（當然，未來皆有可能，不局限于此）。 但是， 對于SiC IGBT，SiC/SiO2界面特性，電磁干擾和短路耐受能力等卻限制了它的使用。 任何新事物出現在大眾視野之前，很多都是經歷過一些發展的，其實早在1996年就有了第一個6H-SiC IGBT。

SiC IGBT的發展至少也有30年了，大眾視野中很少會提及到SiC IGBT產品，并不是沒有，只是太多事情是我們目不可及的。就目前而言，SiC器件的制成還有著很多難點需要突破和解決，下面我們就來看看SiC IGBT的現狀和挑戰。

01制備的挑戰

n溝道SiC IGBT的制備

從SiC IGBT的發展軸線圖，我們可以看到SiC n-IGBT有著優的動靜態性能，其需要高摻雜p型集電極作為空穴注入層。然后商用p型襯底的電阻率很高，質量較劣，這限制了SiC n-IGBT的性能發揮。而在獨立技術提出之后， 通過在n型襯底上生長出n-和p+來作為漂移層和集電極，使得n-IGBT得到進一步發展 。

作為 底層的p型外延層需要足夠的厚度以及較高的摻雜濃度 來保證機械強度和串聯寄生電阻。但是 在較厚的p型外延層中，摻雜濃度受薄歐姆接觸的形成、生長速率、表面粗糙度和生長缺陷的限制 。同時，由于SiC的硬度和化學惰性，使得n型襯底很難去除，這也需要進一步的完善工藝。

缺陷，以及壽命增強

SiC晶片的質量直接決定了SiC IGBT器件的性能、可靠性、穩定性和產率，間接地影響制造成本。 SiC晶圓中的缺陷主要包括材料固有的缺陷，外延生長引起的結構缺陷，如微管、位錯、夾雜和堆積等 （在之前我們聊Si基制造工藝時有涉及）。通過優化生長工藝和生長后處理工藝，使得這些缺陷被降到了合理的范圍，這使得低壓4H-SiC MOSFET器件得到商業化。而對于SiC IGBT來說，上述缺陷作為復合中心，大大降低了載流子的壽命， 高壓SiC雙極型器件需要很長的載流子壽命來降低導通壓降 ，此外 ，載流子壽命也主導這導通壓降和開關速度之間的折衷，所以需要進行壽命增強。

可以通過C+離子注入/退火、熱氧化/退火或者是優化生長條件來降低影響載流子壽命的缺陷密度，但是這相對于10kV以上的SiC IGBT來說，這些措施還是足以滿足，除此之外，壽命分布的不均勻性，不同缺陷密度之間的權衡，生長后產生的目標缺陷和新缺陷之間的權衡等等，都是阻礙SiC IGBT商業化的因素。

大尺寸、高質量材料和低缺陷密度外延生長工藝都是實現SiC IGBT的關鍵 。

SiC/SiO 2 界面性能

SiC 相比于Si IGBT的性能更優，但是還是使用SiO2來作為柵極的氧化層，帶來了SiC/SiO2界面的新問題。SiC IGBT可以像Si基的一樣較容易形成SiO2層，但是 在氧化的過程中，除了近界面陷阱外，還會引入額外的C簇，使得SiC/SiO2界面陷阱密度遠大于Si/SiO2，導致SiC MOS的溝道遷移率大大降低。 引入氮是降低后退火中界面陷阱密度的有效方法，但是氮的引入造成了新的缺陷，造成了可靠性的問題。所以為了獲得高質量的SiC/SiO2界面，就 需要完全去除剩余的C原子和近界面陷阱。

還有個主要的問題就是 氧化層的高電場 。在4H-SiC IGBT中，SiO2中的電場是SiC中的2.5倍，與Si IGBT相比，SiC IGBT中較高的臨界電場使得SiO2的電場更高。有些研究使用高介電常數的介電體代替SiO2來降低柵絕緣層和SiC之間的電場比，但是新介質和SiC界面帶偏置較低，其界面缺陷密度大，漏電流較大，雖然一定程度上提高了溝道遷移率，但是和現有大規模制造的兼容性以及在高壓工況下的長期穩定性難以處理。

終端技術

為了保證SiC IGBT的高壓，可靠和堅固的終端是必須的，終端能夠保證器件能夠支持大于90%的整體擊穿電壓。 結端擴展（JTE） 和 場限環（FLRs） 是目前SiC IGBT的兩種主要終端技術。 為了緩解邊緣電場效應，SiC IGBT的終止長度要比Si基的長很多，終端面積占了整個芯片面積的50%以上，導致芯片面積較大。

精確控制注入劑量和優越的面積利用是JTE技術實現均勻電場的必要條件，因此JTE主要用于低壓器件。而FLR技術主要用于高壓器件，但其在高壓器件中需要消耗很大的面積。針對這一問題， 提出了線性或區域優化距離的FLRs技術，縮短了30%的終止長度，增加了23%的擊穿電壓；以及JTE和FLR結合的JTE環技術，在相同的擊穿電壓減小了20~30%的終端面積。

封裝技術

目前，SiC IGBT仍封裝在線綁定的模塊中，綁定線失效和焊料的失效是常見的壽命限制因素。此外， 超高壓帶來的電壓擊穿和局部放電給絕緣材料帶來了更大的挑戰 。導體、介電體和封裝體間的交點是暴露于高電場下的薄弱點，因此需要選用高擊穿電場的材料、光滑的電極及電極間隙，這些都需要大量的研究，同時絕緣層介電常數高導致的額外位移電流，處理的復雜性和模塊尺寸增大等問題也是挑戰。

另外， 提高模塊的耐溫能力，降低模塊的熱阻等也是尤為重要的 ，這些都還需要不斷的創新。目前的納米銀燒結，雙面冷卻等技術可能能夠解決部分SiC IGBT模塊的需求，但還不足夠。

新的IGBT結構

盡管SiC IGBT在阻斷電壓、導熱系數和開關速度等方面優于Si IGBT，但是傳統的IGBT結構一定程度上限制了SiC材料性能的發揮。為了提高SiC IGBT的電氣性能和可靠性，新型IGBT結構在正在不斷的發展。

02特性和驅動

SiC的寬禁帶和極高的電壓等級使得其IGBT性能與Si基IGBT有著差別，主要就是動靜態特性。

靜態特性

正向特性是靜態特性的重要組成部分，也就是導通特性，可以用正向導通電阻Ron來描述。 SiC IGBT的Ron一般低于Si IGBT和SiC MOSFET，主要是因為其漂移區厚度小，電導調制更短導致的。 另外p溝道的SiC IGBT的正向特性要比n溝道來的差，所以n溝道SiC IGBT是較優的。

動態特性

想較為直觀的了解IGBT的動態特性，雙脈沖測試可以說是較為有效的手段。與Si IGBT類似，SiC IGBT由于其材料的特性，導致動態參數有所不同。

門極驅動

SiC IGBT的驅動和Si基的在整體上是差不多的， 需要考慮到 高絕緣性能、低耦合電容、低成本、尺寸、高效率和高可靠性等因素。 目前仍延用Si IGBT或者MOSFET的拓撲結構和控制策略，只是細節可能會有所不同。

目前，第三代寬禁帶半導體的熱潮已經開始蔓延，不管是SiC還是GaN，都在不斷的發展，各種類型的器件也都在不斷推出。但SiC材料的功率器件，還是MOSFET較為常見，也許只有固定的高壓，大電流，大功率的應用才會涉及到SiC IGBT。當然，相信未來SiC將會出現在越來越多的傳統Si基器件。
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