碳化矽MOSFET性能的優勢與技術的難點

引言：碳化矽功率器件近年來越來越廣泛應用於工業領域，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，市場反應碳化矽元器件的效果非常好，但似乎對於碳化矽元器件的普及還有一些技術難題。

一、 碳化矽mos對比矽mos的11大優勢

1. SiC器件的結構和特徵

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以上的電壓中主要採用IGBT（絕緣柵極雙極型電晶體）。IGBT通過電導率調製，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，但是同時由於少數載流子的積聚，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製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，並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的優勢在於晶片面積小（可以實現小型封裝），而且體二極體的恢復損耗非常小。

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 的晶片尺寸只需要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鬆實現1700V以上的耐壓。因此，沒有必要再採用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範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，因此易於熱設計，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，由通往上臂二極體的回流產生的恢復電流也流過下臂，由於各二極體性能的偏差，從而產生很大的損耗。Si FRD 和Si MOSFET 中的體二極體的通常恢復電流非常大，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二極體不受溫度影響，可以快速恢復，SiC MOSFET 的體二極體雖然Vf 較高但是與碳化矽二極體相同，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於外部的門極電阻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湧電壓，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採用快速的MOSFET 結構，所以，與IGBT 相比，Turn‐off 損耗（Eoff）可以減少約90%，有利於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，由於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 由於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

晶片內部門極電阻與門極電極材料的薄層阻抗和晶片尺寸相關。如果是相同的設計，晶片內部門極電阻與晶片尺寸呈反比例，晶片尺寸越小，門極電阻越大。SiC MOSFET 的晶片尺寸比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 是一種易於驅動、驅動功率較少的常閉型、電壓驅動型的開關器件。基本的驅動方法和IGBT 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。在要求高抗幹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，推薦採用緩衝電路。

10. 體二極體的 Vf 和逆嚮導通

與Si MOSFET 一樣，SiC MOSFET體內也存在因PN結而形成的體二極體（寄生二極體）。但是由於SiC的帶隙是Si的3倍，所以SiC MOSFET的PN二極體的開啟電壓大概是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體時，由於體二極體和外置二極體的Vf大小相等，為了防止朝向恢復慢的體二極體側回流，必須在MOSFET上串聯低電壓阻斷二極體，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的體二極體的Vf 比回流用的快速二極體的Vf還要高出很多，所以當逆向並聯外置二極體時，不需要串聯低壓阻斷二極體。

體二極體的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嚮導通來降低。逆變驅動時，回流側的臂上多數是在死區時間結束之後輸入門極導通信號（請確認使用中的CPU的動作），體二極體的通電只在死區時間期間發生，之後基本上是經由溝道逆向流過。因此，即使在只由MOSFET（無逆向並聯的SBD）構成的橋式電路中，體二極體的Vf較高也沒有問題。

11. 體二極體的恢復特性

SiC MOSFET的體二極體雖然是PN 二極體，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的體二極體與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。體二極體的恢復時間與SBD相同，是恆定的，不受正向輸入電流If的影響（dI/dt 恆定的情況下）。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相對於Si IGBT和MOSFET的優勢所在。

二、碳化矽mos的技術難點

綜合各種報導，難題不在晶片的原理設計，特別是晶片結構設計解決好並不難。難在實現晶片結構的製作工藝。當然對於用戶最直接的原因是，SiC MOSFET 的價格相對較高。

舉例如下：

1. 摻雜工藝有特殊要求。如用擴散方法進行慘雜，碳化矽擴散溫度遠高於矽，此時掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用，而且碳化矽本身在這樣的高溫下也不穩定，因此不宜採用擴散法摻雜，而要用離子注入摻雜。如果p型離子注入的雜質使用鋁。由於鋁原子比碳原子大得多，注入對晶格的損傷和雜質處於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，並在更高的溫度下退火。這樣就帶來了晶片表面碳化矽分解、矽原子升華的問題。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。

2. 歐姆接觸的製作。歐姆接觸是器件電極引出十分重要的一項工藝。在碳化矽晶片上製造金屬電極，要求接觸電阻低於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。採用Al/Ni/W/Au複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矽的歐姆接觸比較難。

3. 配套材料的耐溫。碳化矽晶片可在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。還有一些工藝問題還沒有理想的解決辦法，如碳化矽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矽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，影響了碳化矽功率器件的快速發展。

來源：化合物半導體

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