SiC功率器件研究与应用进展

王绛梅，王永维

(1.中国电子科技集团公司，北京 100846；2.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

SiC功率器件研究与应用进展

王绛梅1，王永维2

(1.中国电子科技集团公司，北京 100846；2.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

综述了SiC材料、SiC二极管（SBD、JBS等）、SiC结型场效应晶体管（JFET）、SiC金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）和SiC绝缘栅双极型晶体管（IGBT）器件的研究进展，以及SiC功率器件商品化应用情况。

碳化硅；肖特基势垒二极管；金属-氧化物半导体场效应晶体管

SiC与GaN同为第三代宽禁带半导体材料。由于SiC材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大等特点，SiC功率器件展现了极大的应用潜力，特别是在无人机、光伏发电、高铁、电动汽车、重型电机、开关电源等多个领域，其高效率、高功率、高频率的优势正得到大力开发和应用。世界各国对SiC材料及功率器件的研究非常重视，美、欧、日等不仅从政府层面上制定了相应的研究规划，而且一些国际电子业巨头也都投入巨资发展SiC半导体器件。

1 SiC材料

目前在大规模使用的Si功率器件已经达到其性能极限，Si功率器件的工作频率、功率、耐热温度、能效、耐恶劣环境及小型化等性能的提高将面临难以逾越的瓶颈。以SiC为代表的第三代半导体材料以其各项优异特性逐渐受到业内人士的关注。与Si材料相比，SiC具有更多优越的物理特性，如：电场强度约为Si的10倍，热导率约为Si的3倍，禁带宽度约为Si的3倍，饱和漂移速度约为Si的2倍。SiC同素异构体有上百种，但主要的同素异构体为3C-SiC、4H-SiC及6H-SiC几种[1]。6H-SiC与4H-SiC禁带宽度分别为3.02 eV、3.26 eV，相应本征温度可达到800℃以上。即使是禁带宽度最窄的3C-SiC，其禁带宽度也达到了2.23 eV左右。

表 1 SiC和Si主要物理性质[2]

上世纪六、七十年代，前苏联对SiC材料研究较深入，并于1978年首次采用了“Lely改进技术”（PVT法）晶粒提纯生长方法[3]。PVT法克服了Lely法自发成核生长的缺点，可得到单一晶型的SiC单晶，且可生长较大尺寸的SiC单晶，国际上基本上采用PVT法制备碳化硅单晶。美国Cree公司自上世纪90年代开始对SiC材料的研究，其150 mm（6英寸）SiC晶片已经商品化，目前在SiC材料和器件研发、生产上均处于世界领先地位[4]。

SiC材料首先要解决的是其材料的生成及加工。从制造工艺来看，生长的碳化硅晶柱经过齐头、断尾、滚圆后，用切割机分割成晶片，再对晶片采用研磨工艺来除去切片时造成的波纹锯痕及表面损伤层(晶片制造流程见图1)，有效改善单晶片的翘曲度、平坦度与平行度，采用单面粗抛光或磨削减薄工艺加工获得一个基准面，最后采用CMP抛光工艺获得无晶格缺陷的完整表面，在其上进行镀膜、蚀刻等集成电路制造工艺。由于SiC晶体材料硬度高，摩氏硬度高达9.0，而且断裂韧性低，加工异常困难。

图1 SiC晶片制造工艺流程及设备

SiC芯片制造与器件封装的关键装备20余种，其工艺流程及关键制造设备见图2所示。

图2 工艺流程及关键设备

晶片衬底和外延层中的微管缺陷密度是SiC材料需要解决的另一个主要问题，也是阻碍商业化的主要障碍。只要一根微管穿过高压PN结就会破坏PN结阻断电压的能力，因此，对于大面积器件，只有零缺陷的材料才能制成具备一定成品率的器件。随着外延工艺的成熟，SiC外延片产品已经可以做到微管缺陷密度低于0.1/cm2。ABB公司采用有特殊功能的光学显微镜，可用计算机自动检测、识别每个微管缺陷在SiC晶片上的正确位置并记录在电脑中[5]。SiC材料需要解决的另外一个问题是SiC片外延层的掺杂浓度和厚度的均匀性，及各批次间掺杂浓度的稳定性。目前采用CVD方法同质外延掺杂浓度为1E14 cm-3、厚度大于100 μm外延层工艺已经成熟，为制造阻断电压大于20 kV器件打下良好的基础。

2 SiC功率器件

SiC功率器件具有反向漏电流小、开关频率高、阻断电压高、导通电阻小和工作温度高等性能特点，目前开发的主要产品包括：SiC二极管（SBD、JBS等）、SiC 结型场效应晶体管（JFET）、SiC金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）及全SiC功率模块等。

2.1 SiC二极管

SiC二极管主要包括肖特基势垒二极管(SBD)、结势垒肖特基二极管(JBS)等。由于SBD是一种多数载流子导电器件，不存在少数载流子引起的反向恢复问题。SBD的反向恢复时间只是肖特基势垒电容的充、放电时间，完全不同于PN结二极管的反向恢复时间。由于SBD的反向恢复电荷非常少，故开关速度非常快，开关损耗也特别小，尤其适合于高频应用。由于单极型器件阻断电压与导通电阻的制约关系，以及晶圆材料缺陷带来的芯片面积上的限制，SiC SBD的单芯片电流导通能力随电压等级提升而急剧减小。为了实现高压大容量应用，需要将多芯片并联组成SiC功率模块进行使用。在器件结构上，SiC JBS采用了结型肖特基势垒二极管结构进行器件制备，和SBD二极管相比，JBS结构在器件有源区增加了相间的P+注入区，如图3，这样可以显著提高器件耐压，解决SBD器件漏电较大的问题。使用外延厚度50 μm以上的4H-SiC材料，JBS器件可实现超过5 000 V的电压阻断能力。早在2001年德国英飞凌就开发成功SiC肖特基二极管，随后Cree同年也开始投产。目前SiC二极管已形成稳定的系列产品，如600 V、1 200 V以及1 700 V规格，已投产或即将投产SiC SBD的公司还有STMicroelectronics（意法半导体公司）、SiCED（德国）、SemiSouth（美国）以及日本公司如罗姆、新日铁、三菱电机等。目前国内也已经具备了SiC二极管的量产能力，泰科天润、中国电子科技集团公司第十三研究所、第五十五研究所、世纪金光等公司相继推出了系列化SiC二极管产品，并且性能指标已经达到国外同类产品指标。

图3 SiC JBS二极管结构

2.2 SiC结型场效应晶体管（JFET）

图4所示为垂直型SiC JFET结构图，通过PN结耗尽来控制器件的通断，为负栅压控制器件，由于JFET器件不需要制作栅氧化层得到广泛关注。Asano等人在2001年报道了用4H-SiC制作的SEJFET场效应管。其阻断电压达到5 500 V，比导通降低218 mΩ·cm-2。表明兼顾正反向特性的优化设计，已将4H-SiC场效应管的通态比电阻缩小到只有Si场效应器件理论值的1/230，是其理论值的4.5倍，说明性能改进的空间还很大。为充分挖掘SiC材料在场效应器件方面的潜力，不断有新的结构出现。目前，SiC结型场效应晶体管JFET也实现一定程度的产业化，产品电压等级在1 200 V、1 700 V，单管电流等级最高可以达20 A，模块的电流等级可以达到100 A以上。但是，随着SiC材料氧化工艺的成熟，MOSFET器件成为了开关器件市场上的主流，JFET器件的发展受到一定的限制。

图4 垂直型SiC JFET结构

2.3 SiC金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）

在半导体功率开关器件中，MOSFET作为多子导电的单极型功率晶体管显著地减小了开关时间，因而很容易达到100 kHz以上的开关频率。Si MOSFET在高压应用时，最大缺点是导通电阻随耐压的2.5次方急剧上升，给应用带来很大困难。由于SiC材料优良物理特性，以及与Si类似，能够热生长出稳定氧化物的特点，所以SiC MOSFET具有低比导通电阻、高工作频率和高温工作稳定性的优点，在功率器件领域具有很广阔的应用前景。目前SiC MOSFET发展迅速，国际上报道了多种SiC MOSFET 结构：UMOS、VDMOS、LDMOS 等。2004年SeI Hyung Ryu等人报道了耐压10 kV、比导通电阻为123 mΩ·cm2的4H-SiC DMOS。2007年Cree公司报道在75 mm（3英寸）4H-SiC晶圆上制作出芯片尺寸为8.11 mm×8.11 mm的10 kV/20 A VDMOS，已经应用在20 kHz的10 kV半桥模块中。2008年日本京都大学报道了双RESURF结构LDMOS，它具有1 550 V阻断电压和54 mΩ·cm2比导通电阻，品质因子为44 MW/cm2。目前，SiC金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）已进入实用化阶段，美国Cree和日本Rohm公司已经能提供业界领先的SiC MOSFET器件，美国已经将SiC MOSFET器件应用于美国下一代航空母舰CVN-21的配电系统的2.7 MVA的固态功率变电站开发中。目前，国内SiC MOSFET器件已经有产品报道，但器件指标和产品成熟度与国外比较还存在一定差距。

图5 SiC MOSFET器件结构

2.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

SiC IGBT综合了功耗低和开关速度快的特点，相对于硅基的IGBT、晶闸管等器件具有显著的技术优势，特别适用于高压、电力系统应用领域。可以预见的是，高压SiC IGBT将成为下一代智能电网技术中电力电子技术最核心的器件（结构见图6所示）。如同其他大多数功率器件，SiC IGBT所面临的主要挑战也集中在如何提高耐压、降低导通电阻、增大开关频率以及器件安全工作区等方面。解决这些问题主要通过器件结构的优化与材料和工艺的改进来实现，近年来SiC IGBT的研究也取得了很大进步。美国2014 Cree公司报道了耐压大于15 kV的SiC IGBT器件，电流大于50 A，并且开关时间可以控制在200 ns以下，这已经超出了Si基器件性能的极限，对于超高压应用领域具有重要意义。

3 SiC功率器件应用研究情况

全球SiC需求的持续增加，带动了下一代SiC材料和工艺的不断改进，推动器件向高性能、低成本方向发展。

图6 SiC IGBT器件结构

目前，基于SiC器件的快充技术成为发展重点，包括意法半导体、台积电、英飞凌等多家公司均推出SiC快充器件产品，以满足混动/电动汽车、国家电网、高铁等领域对功率器件的需求。

2016年3 月，GE公司展开了面向将SiC技术用于高电压地面车辆电子功率系统，优化在高温环境工作的电子系统的体积、重量、功耗的SiC功率器件研发。

2016年5 月，意法半导体(ST)的先进SiC功率器件加快汽车电动化进程，已完成650 V AEC-Q101级SiC二极管认证，最新的650 V SiC MOSFET和1 200 V SiC二极管将于2017年初完成，新一代1 200 V SiC MOSFET将于2017年底完成认证测试。

2016年8 月，美国能源部斥资2 200万美元，主要用于开发更高性能SiC电力电子器件，以提高矿物燃料输运和工业级压缩系统等高能耗产业、产品和加工技术的能效。

2016年8 月，北京世纪金光半导体有限公司自主研发的SiC MOSFET和SiC功率模块问世，在国家重大专项的支持下，该公司现有1 200 V、80 mΩ和900 V、65 mΩ两款SiC MOSFET产品完成了初样、试样和正样的研制，已经多批次给用户送样验证，公司还研发出了600 V、5～30 A和1 200 V、10～30 A系列SiC SBD产品 (肖特基二极管)，并实现了批量供货。

2016年10 月，德国爱尔福特的X-FAB硅铸造厂宣称在与美国能源部（DOE）和由美国北卡罗来纳州立大学牵头的下一代电力电子国家制造业创新研究所的合作下，已经在其德克萨斯卢伯克工厂部署了高温离子注入机，据说这是世界上第一个支持150 mm（6英寸）SiC生产的半导体工厂，美国北卡罗莱纳州立大学未来可再生能源传输和管理(FREEDM)系统中心研制出高压和高频SiC功率开关，可工作在15 kV、40 A，为开发击穿电压在2.4～15 kV的功率开关铺平道路。

4 结束语

SiC器件的成本问题仍然是制约其发展的主要因素，随着技术的成熟、成本的下降将带动行业的发展。据市场调研机构预测，到2020年，SiC器件价格将下降50%，到2022年，市场规模将达到40亿美元，年平均复合增长率可达到45%，且光伏和新能源车逆变器将占主导地位，进一步缩减系统体积与重量。SiC高压大功率器件将向更高性能、低成本方向发展，并成为全球电力电子器件大型企业目前重点的发展方向，具有广阔的应用前景和市场潜力。我国正在实施“节能减排”的国家发展政策，SiC材料与功率器件无疑会对此起到巨大的推动作用。

[1]M.E.Levinshteinetal.先进半导体材料性能与数据手册[M].杨树人，殷景志，译.北京：化学工业出版社，2003.[2]刘义鹤，江洪.SiC材料及技术研究进展[J].新材料产业，2015，(10)：20-25.

[3]Kordina O，Hallin C，Henry A，et al.Growth of SiC by“hot-wall”CVD and HTCVD[J].Physica Status Solidi B-Basic Research，1997，202(1)：321-334.

[4]Cree Inc.Cree Introduces 150 mm 4HN Silicon Carbide Epitaxial Wafers[EB/OL].（2012-8-30)[2015-05-20]http://www.cree.com/News-and-Events/Cree-News/Press-Releases/2012/August/150 mm-wafers.

[5]徐南屏.SiC-未来功率器件材料[C].北京：中国电工技术学会电力电子学会学术年会，2002.

[6]张波，邓小川，张有润，等.宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望[J].中国电子科学研究院学报，2009，4(2)：111-118.

[7]何骏伟，陈思哲，任娜，等.4500 VSiC SBD和JFET功率模块的制备与测试[J].电工技术学报，2015，30(17)：63-69.

[8]黄京才，白朝辉.碳化硅器件发展概述[J].山西电子技术，2011，(4)：90-91.

[9]王守国，张岩.SiC材料及器件的应用发展前景[J].Chinese Journal of Nature，2011，33(1)：42-45.

[10]Shiqi Ji，Zheyu Zhang，Fred Wang.Overview of high voltage SiC power semiconductor devices：development

参考文献：and application[J].CES Journals&Magazines，2017，1(3)：254-264.

[11]Roland Rupp.CoolSiCTMand major trends in SiC power device development[A].2017 47th European Solid-State Device Research Conference(ESSDERC)[C].IEEE Conference Publications，2017.118-121.

[12]J.W.Milligan，S.Sheppard，W.Pribble，et al.SiC and GaN Wide Bandgap Technology Commercial Status[C].CS MANTECH Conference，April 14-17，2008，Chicago，Illinois，USA.

Research and Application Development of SiC Power Devices

WANG Jiangmei1，WANG Yongwei2

(1.China Electronics Technology Corproration，Beijing 100846，China；2.The 13thResearch Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China)

The development of Silicon Carbide(SiC)materials，Schottky Barrier Diode(SBD)，Junction Barrier Diode(JBS)，Junction Field Effect Transistor(JFET)，Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor(MOSFET)and Insulated Gated Bipolar Transistor(IGBT)are reviewed.Meanwhile，the SiC products commercialized application situation also introduced.

Silicon carbide(SiC)；Schottky barrier diode(SBD)；Metal-oxide-semiconductor field effect transistor(MOSFET)

TN605

A

1004-4507(2017)06-0001-06

2017-11-10