碳化硅MOSFET器件的特性優勢與發展瓶頸!

引言

碳化硅功率器件近年來越來越廣泛應用于工業領域，受到大家的喜愛，不斷地推陳出新，大量的更高電壓等級、更大電流等級的產品相繼推出，市場反應碳化硅元器件的效果非常好，但似乎對于碳化硅元器件的普及還有很長的路要走。那為什么SiC器件這么受歡迎，但難以普及?本文簡單概述一下碳化硅器件的特性優勢與發展瓶頸!

碳化硅mos對比硅mos的11大優勢

1、SiC器件的結構和特征

Si材料中，越是高耐壓器件其單位面積的導通電阻就越大(通常以耐壓值的大概2-2.5次方的比例增加)，因此600V以上的電壓中主要采用IGBT(絕緣柵極雙極型晶體管)。IGBT通過電導率調制，向漂移層內注入作為少數載流子的空穴，因此導通電阻比MOSFET還要小，但是同時由于少數載流子的積聚，在關斷時會產生尾電流，從而造成極大的開關損耗。

SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低，不需要進行電導率調制就能夠以高頻器件結構的MOSFET實現高耐壓和低阻抗。而且MOSFET原理上不產生尾電流，所以用SiC MOSFET替代IGBT時，能夠明顯地減少開關損耗，并且實現散熱部件的小型化。另外，SiC MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅動，從而也可以實現被動器件的小型化。與600V～1200V的Si MOSFET相比，SiC MOSFET的優勢在于芯片面積小(可以實現小型封裝)，而且體二極管的恢復損耗非常小。

2、SiC Mosfet的導通電阻

SiC 的絕緣擊穿場強是Si 的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實現高耐壓。因此，在相同的耐壓值的情況下，SiC 可以得到標準化導通電阻(單位面積導通電阻)更低的器件。例如900V時，SiC‐MOSFET 的芯片尺寸只需要Si‐MOSFET 的35分之1、SJ‐MOSFET 的10分之1，就可以實現相同的導通電阻。不僅能夠以小封裝實現低導通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結電容也變小。目前SiC 器件能夠以很低的導通電阻輕松實現1700V以上的耐壓。因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結構(導通電阻變低，則開關速度變慢) ，就可以實現低導通電阻、高耐壓、快速開關等各優點兼備的器件。

3、Vd-Id特性

SiC‐MOSFET 與IGBT 不同，不存在開啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內都能夠實現低導通損耗。而Si MOSFET 在150℃時導通電阻上升為室溫條件下的2 倍以上，與Si MOSFET 不同，SiC MOSFET的上升率比較低，因此易于熱設計，且高溫下的導通電阻也很低。

4、驅動門極電壓和導通電阻

SiC‐MOSFET 的漂移層阻抗比Si MOSFET 低，但是另一方面，按照現在的技術水平，SiC MOSFET的MOS 溝道部分的遷移率比較低，所以溝道部的阻抗比Si 器件要高。因此，越高的門極電壓，可以得到越低的導通電阻(Vgs=20V 以上則逐漸飽和)。如果使用一般IGBT 和Si MOSFET 使用的驅動電壓Vgs=10～15V 的話，不能發揮出SiC 本來的低導通電阻的性能，所以為了得到充分的低導通電阻，推薦使用Vgs=18V左右進行驅動。Vgs=13V 以下的話，有可能發生熱失控，請注意不要使用。

5、Vg-Id特性

SiC MOSFET 的閾值電壓在數mA 的情況下定義的話，與Si‐MOSFET 相當，室溫下大約3V(常閉)。但是，如果流通幾個安培電流的話，需要的門極電壓在室溫下約為8V 以上，所以可以認為針對誤觸發的耐性與IGBT 相當。溫度越高，閾值電壓越低。

6、Turn-On特性

SiC‐MOSFET 的Turn‐on 速度與Si IGBT 和Si MOSFET 相當，大約幾十ns。但是在感性負載開關的情況下，由通往上臂二極管的回流產生的恢復電流也流過下臂，由于各二極管性能的偏差，從而產生很大的損耗。Si FRD 和Si MOSFET 中的體二極管的通?；謴碗娏鞣浅４?，會產生很大的損耗，而且在高溫下該損耗有進一步增大的趨勢。與此相反，SiC二極管不受溫度影響，可以快速恢復，SiC MOSFET 的體二極管雖然Vf 較高但是與碳化硅二極管相同，具有相當的快速恢復性能。通過這些快速恢復性能，可以減少Turn‐on 損耗(Eon)好幾成。開關速度極大程度上決定于外部的門極電阻Rg。為了實現快速動作，推薦使用幾Ω左右的低阻值門極電阻。另外還需要考慮到浪涌電壓，選擇合適的門極電阻。

7、Turn-Off特性

SiC MOSFET 的最大特點是原理上不會產生如IGBT中經常見到的尾電流。SiC 即使在1200V 以上的耐壓值時也可以采用快速的MOSFET 結構，所以，與IGBT 相比，Turn‐off 損耗(Eoff)可以減少約90%，有利于電路的節能和散熱設備的簡化、小型化。而且，IGBT 的尾電流會隨著溫度的升高而增大，而SiC‐MOSFET 幾乎不受溫度的影響。另外，由于較大的開關損耗引起的發熱會致使結點溫度(Tj)超過額定值，所以IGBT 通常不能在20KHz 以上的高頻區域內使用，但SiC MOSFET 由于Eoff 很小，所以可以進行50KHz 以上的高頻開關動作。通過高頻化，可以使濾波器等被動器件小型化。

8、內部門極電阻

芯片內部門極電阻與門極電極材料的薄層阻抗和芯片尺寸相關。如果是相同的設計，芯片內部門極電阻與芯片尺寸呈反比例，芯片尺寸越小，門極電阻越大。SiC MOSFET 的芯片尺寸比Si 器件小，雖然結電容更小，但是同時門極電阻也就更大。

9、門極驅動電路

SiC MOSFET 是一種易于驅動、驅動功率較少的常閉型、電壓驅動型的開關器件?；镜尿寗臃椒ê虸GBT 以及Si MOSFET一樣。推薦的驅動門極電壓，ON 側時為+18V 左右，OFF 側時為0V。在要求高抗干擾性和快速開關的情況下，也可以施加‐3～‐5V 左右的負電壓。當驅動大電流器件和功率模塊時，推薦采用緩沖電路。

10、體二極管的 Vf 和逆向導通

與Si MOSFET 一樣，SiC MOSFET體內也存在因PN結而形成的體二極管(寄生二極管)。但是由于SiC的帶隙是Si的3倍，所以SiC MOSFET的PN二極管的開啟電壓大概是3V左右，比較大，而且正向壓降(Vf)也比較高。以往，當Si MOSFET外置回流用的快速二極管時，由于體二極管和外置二極管的Vf大小相等，為了防止朝向恢復慢的體二極管側回流，必須在MOSFET上串聯低電壓阻斷二極管，這樣的話，既增加了器件數量，也使導通損耗進一步惡化。然而，SiC MOSFET的體二極管的Vf 比回流用的快速二極管的Vf還要高出很多，所以當逆向并聯外置二極管時，不需要串聯低壓阻斷二極管。

體二極管的Vf比較高，這一問題可以通過如同整流一樣向門極輸入導通信號使其逆向導通來降低。逆變驅動時，回流側的臂上多數是在死區時間結束之后輸入門極導通信號(請確認使用中的CPU的動作)，體二極管的通電只在死區時間期間發生，之后基本上是經由溝道逆向流過。因此，即使在只由MOSFET(無逆向并聯的SBD)構成的橋式電路中，體二極管的Vf較高也沒有問題。

11、體二極管的恢復特性

SiC MOSFET的體二極管雖然是PN 二極管，但是少數載流子壽命較短，所以基本上沒有出現少數載流子的積聚效果，與SBD 一樣具有超快速恢復性能(幾十ns)。因此Si MOSFET的體二極管與IGBT外置的FRD相比，其恢復損耗可以減少到IGBT外置的FRD的幾分之一到幾十分之一。體二極管的恢復時間與SBD相同，是恒定的，不受正向輸入電流If的影響(dI/dt 恒定的情況下)。在逆變器應用中，即使只由MOSFET 構成橋式電路，也能夠實現非常小的恢復損耗，同時還預期可以減少因恢復電流而產生的噪音，達到降噪。

從以上這些方面就能看出SiC MOSFET相對于Si IGBT和MOSFET的優勢所在。

碳化硅mos的發展瓶頸

綜合各種報道，難題不在芯片的原理設計，特別是芯片結構設計解決好并不難。難在實現芯片結構的制作工藝。當然對于用戶最直接的原因是，SiC MOSFET 的價格相當昂貴，限制了它的普及。

舉例如下：

1、碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一種肉眼都可以看得見的宏觀缺陷，在碳化硅晶體生長技術發展到能徹底消除微管缺陷之前，大功率電力電子器件就難以用碳化硅來制造。盡管優質晶片的微管密度已達到不超過15cm-2 的水平。但器件制造要求直徑超過100mm的碳化硅晶體，微管密度低于0.5cm-2 。

2、外延工藝效率低。碳化硅的氣相同質外延一般要在1500℃以上的高溫下進行。由于有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過1800℃，因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產量較低。

3、摻雜工藝有特殊要求。如用擴散方法進行慘雜，碳化硅擴散溫度遠高于硅，此時掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用，而且碳化硅本身在這樣的高溫下也不穩定，因此不宜采用擴散法摻雜，而要用離子注入摻雜。如果p型離子注入的雜質使用鋁。由于鋁原子比碳原子大得多，注入對晶格的損傷和雜質處于未激活狀態的情況都比較嚴重，往往要在相當高的襯底溫度下進行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問題。目前，p型離子注入的問題還比較多，從雜質選擇到退火溫度的一系列工藝參數都還需要優化。

4、歐姆接觸的制作。歐姆接觸是器件電極引出十分重要的一項工藝。在碳化硅晶片上制造金屬電極，要求接觸電阻低于10- 5Ωcm2，電極材料用Ni和Al可以達到，但在100℃ 以上時熱穩定性較差。采用Al/Ni/W/Au復合電極可以把熱穩定性提高到600℃、100h ，不過其接觸比電阻高達10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化硅的歐姆接觸比較難。

5、配套材料的耐溫。碳化硅芯片可在600℃溫度下工作，但與其配套的材料就不見得能耐此高溫。例如，電極材料、焊料、外殼、絕緣材料等都限制了工作溫度的提高。

以上僅舉數例，不是全部。還有很多工藝問題還沒有理想的解決辦法，如碳化硅半導體表面挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態對碳化硅MOSFET器件的長期穩定性影響方面，行業中還有沒有達成一致的結論等，大大阻礙了碳化硅功率器件的快速發展。

結語

借鑒各類科技發展經驗，凡事都有一個自己的發展規律。例如晶閘管上世記五十年代在我國出現，用于電氣控制，受到各行各業歡迎，但并不一帆風順。先是可控硅熱，后因設計原理沒有徹底搞清，產品故障頻發，社會出現了“可怕硅”的恐懼。經過努力，下定決心克服難題，迎來了晶閘管的普及使用。所以，碳化硅功率器件的發展也不可能出現短期的飛躍要有個過程。