碳化硅元器件的前世今生

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一、碳化硅的前世今生
 
碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物,莫桑石。 碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中,碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。可以称为金钢砂或耐火砂。
 
碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好,除作磨料用外,还有很多其他用途,例如:以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁,可提高其耐磨性而延长使用寿命1~2倍;用以制成的高级耐火材料,耐热震、体积小、重量轻而强度高,节能效果好。低品级碳化硅(含SiC约85%)是极好的脱氧剂,用它可加快炼钢速度,并便于控制化学成分,提高钢的质量。此外,碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。
 
碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上最硬的金刚石(10级),具有优良的导热性能,是一种半导体,高温时能抗氧化。
 
碳化硅历程表
  • 1905年 第一次在陨石中发现碳化硅
  • 1907年 第一只碳化硅晶体发光二极管诞生
  • 1955年 理论和技术上重大突破,LELY提出生长高品质碳化概念,从此将SiC作为重要的电子材料
  • 1958年 在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流
  • 1978年 六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。到1978年首次采用“LELY改进技术”的晶粒提纯生长方法
  • 1987年~至今以CREE的研究成果建立碳化硅生产线,供应商开始提供商品化的碳化硅基。
  •  2001年德国Infineon公司推出SiC二极管产品,美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本,罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。
  •  2013年9月29日,碳化硅半导体国际学会“ICSCRM 2013”召开,24个国家的半导体企业、科研院校等136家单位与会,人数达到794人次,为历年来之最。国际知名的半导体器件厂商,如科锐、三菱、罗姆、英飞凌、飞兆等在会议上均展示出了最新量产化的碳化硅器件。

到现在已经有很多厂商生产碳化硅器件比如Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司。

二、碳化硅器件的优势特性
 
碳化硅(SiC)是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,世界各国对SiC的研究非常重视,纷纷投入大量的人力物力积极发展,美国、欧洲、日本等不仅从国家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碳化硅半导体器件。
与普通硅相比,采用碳化硅的元器件有如下特性:
 
1
 
高压特性
  
碳化硅器件是同等硅器件耐压的10倍
  
碳化硅肖特基管耐压可达2400V。
  
碳化硅场效应管耐压可达数万伏,且通态电阻并不很大。
 
2
 
高频特性
 
3
 
高温特性
 
在Si材料已经接近理论性能极限的今天,SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性,一直被视为“理想器件”而备受期待。然而,相对于以往的Si材质器件,SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求,将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。
 
目前,低功耗的碳化硅器件已经从实验室进入了实用器件生产阶段。目前碳化硅圆片的价格还较高,其缺陷也多。通过不断的研究开发,预计到2010年前后,碳化硅器件将主宰功率器件的市场。但实际上并非如此。
 
三、最受关注的碳化硅MOS
 
SiC器件分类
 
4
 
SiC-MOSFET
  
SiC-MOSFET 是碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。成果比较突出的就是美国的Cree公司和日本的ROHM公司。
  
在Si材料已经接近理论性能极限的今天,SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性,一直被视为“理想器件”而备受期待。然而,相对于以往的Si材质器件,SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求,将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。
 
碳化硅MOS的结构
 
碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)N+源区和P井掺杂都是采用离子注入的方式,在1700℃温度中进行退火激活。另一个关键的工艺是碳化硅MOS栅氧化物的形成。由于碳化硅材料中同时有Si和C两种原子存在,需要非常特殊的栅介质生长方法。其沟槽星结构的优势如下:
 
平面vs沟槽
 
5
 
SiC-MOSFET采用沟槽结构可最大限度地发挥SiC的特性。
 
6
 
碳化硅MOS的优势
 
硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。由于受到材料的限制,高压高频的硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围,同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT,碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况具有更低的开关损耗和更高的工作频率。
 
20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半, 50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势。
 
碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。如图所示,同一额定电流900V的器件,碳化硅MOSFET 寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来说(特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候),这个指标非常关键,它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音,便于提高开关工作频率。
 
7
 
碳化硅MOS管的应用
 
碳化硅MOSFET模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。碳化硅器件的高压高频和高效率的优势,可以突破现有电动汽车电机设计上因器件性能而受到的限制,这是目前国内外电动汽车电机领域研发的重点。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车(HEV)、纯电动汽车(EV)内功率控制单元(PCU),使用碳化硅MOSFET模块,体积比减小到1/5。三菱开发的EV马达驱动系统,使用SiC MOSFET模块,功率驱动模块集成到了电机内,实现了一体化和小型化目标。预计在2018年-2020年碳化硅MOSFET模块将广泛应用在国内外的电动汽车上。
 
四、碳化硅肖特二极管
 
碳化硅肖特基二极管
 
碳化硅肖特基二极管结构
 
碳化硅肖特基二极管(SiC SBD)的器件采用了结势垒肖特基二极管结构(JBS),可以有效降低反向漏电流,具备更好的耐高压能力。
 
碳化硅肖特基二极管优势
 
碳化硅肖特基二极管是一种单极型器件,因此相比于传统的硅快恢复二极管(Si FRD),碳化硅肖特基二极管具有理想的反向恢复特性。在器件从正向导通向反向阻断转换时,几乎没有反向恢复电流(如图1.2a),反向恢复时间小于20ns,甚至600V10A的碳化硅肖特基二极管的反向恢复时间在10ns以内。因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高的频率,在相同频率下具有更高的效率。另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数,随着温度的上升电阻也逐渐上升,这与硅FRD正好相反。这使得碳化硅肖特基二极管非常适合并联实用,增加了系统的安全性和可靠性。
 
概括碳化硅肖特基二极管的主要优势,有如下特点:
1. 几乎无开关损耗
2. 更高的开关频率
3. 更高的效率
4. 更高的工作温度
5. 正的温度系数,适合于并联工作
6. 开关特性几乎与温度无关
 
碳化硅肖特基二极管的应用
 
碳化硅肖特基二极管可广泛应用于开关电源、功率因素校正(PFC)电路、不间断电源(UPS)、光伏逆变器等中高功率领域,可显著的减少电路的损耗,提高电路的工作频率。在PFC电路中用碳化硅SBD取代原来的硅FRD,可使电路工作在300kHz以上,效率基本保持不变,而相比下使用硅FRD的电路在100kHz以上的效率急剧下降。随着工作频率的提高,电感等无源原件的体积相应下降,整个电路板的体积下降30%以上。
 
五、高效率碳化硅电源实例
 
(引用刘学超 黄建立 马卓斌设计的案利)用新一代1000V、65毫欧4脚TO247封装碳化硅(SiC)MOSFET(C3M0065100K)实现了高频LLC谐振全桥隔离变换器。由于碳化硅的高阻断电压, 快速开关及低损耗等特点, 高压输入隔离DC/DC变换器的拓扑可以得到简化(从原来的三电平简化为传统全桥拓扑)。
 
8
 
20KW高效LLC谐振全桥变换器的试验样机图
 
9
 
效率高达98.4%
 
最高效率在额定700V输入和500V输出条件下超过98.4%。满载条件下效率为97.7%。该效率测试包括辅助电源的损耗。此图为500V/20A输出半载条件下的波形和效率,最高效率达到98.4%。 工作在谐振频率200KHZ。
 
10
 
六、人们是如何评价碳化硅的?
 
几乎凡能读到的文章都是这样介绍碳化硅:
  
碳化硅的能带间隔为硅的2.8倍(宽禁带),达到3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍,高达3.2MV/cm.其导热率是硅的3.3倍,为49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二极管及MOS场效应晶体管,与相同耐压的硅器件相比,其漂移电阻区的厚度薄了一个数量级。其杂质浓度可为硅的2个数量级。由此,碳化硅器件的单位面 积的阻抗仅为硅器件的100分之一。它的漂移电阻几乎就等于器件的全部电阻。因而碳化硅器件的发热量极低。这有助于减少传导和开关损耗,工作频率一般也要比硅器件高10倍以上。此外,碳化硅半导体还有的固有的强抗辐射能力。
  
近年利用碳化硅材料制作的IGBT(绝缘栅双极晶体管)等功率器件,已可采用少子注入等工艺,使其通态阻抗减为通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身发热量小,因而碳化硅器件的导热性能极优。还有,碳化硅功率器件可在400℃的高温下正常工作。其可利用体积微小的器件控制很大的电流。工作电压也高得多。
 
七、目前碳化硅器件发展情况如何?
 
1,技术参数:举例来说,肖特基二极管电压由250伏提高到1000伏以上,芯片面积小了,但电流只有几十安。工作温度提高到180℃,离介绍能达600℃相差很远。压降更不尽人意,与硅材料没有差别,高的正向压降要达到2V。
 
2,市场价格:约为硅材料制造的5到6倍。
 
八、碳化硅(SiC)器件发展中的难题在哪里?
 
综合各种报道,难题不在芯片的原理设计,特别是芯片结构设计解决好并不难。难在实现芯片结构的制作工艺。
  
举例如下:
  
1,碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一种肉眼都可以看得见的宏观缺陷,在碳化硅晶体生长技术发展到能彻底消除微管缺陷之前,大功率电力电子器件就难以用碳化硅来制造。尽管优质晶片的微管密度已达到不超过15cm-2 的水平。但器件制造要求直径超过100mm的碳化硅晶体,微管密度低于0.5cm-2 。
  
2,外延工艺效率低。碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题,温度不能太高,一般不能超过1800℃,因而生长速率较低。液相外延温度较低、速率较高,但产量较低。
 
3,掺杂工艺有特殊要求。如用扩散方法进行惨杂,碳化硅扩散温度远高于硅,此时掩蔽用的SiO2层已失去了掩蔽作用,而且碳化硅本身在这样的高温下也不稳定,因此不宜采用扩散法掺杂,而要用离子注入掺杂。如果p型离子注入的杂质使用铝。由于铝原子比碳原子大得多,注入对晶格的损伤和杂质处于未激活状态的情况都比较严重,往往要在相当高的衬底温度下进行,并在更高的温度下退火。这样就带来了晶片表面碳化硅分解、硅原子升华的问题。目前,p型离子注入的问题还比较多,从杂质选择到退火温度的一系列工艺参数都还需要优化。
  
4,欧姆接触的制作。欧姆接触是器件电极引出十分重要的一项工艺。在碳化硅晶片上制造金属电极,要求接触电阻低于10- 5Ωcm2,电极材料用Ni和Al可以达到,但在100℃ 以上时热稳定性较差。采用Al/Ni/W/Au复合电极可以把热稳定性提高到600℃、100h ,不过其接触比电阻高达10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化硅的欧姆接触比较难。
  
5,配套材料的耐温。碳化硅芯片可在600℃温度下工作,但与其配套的材料就不见得能耐此高温。例如,电极材料、焊料、外壳、绝缘材料等都限制了工作温度的提高。
  
以上仅举数例,不是全部。还有很多工艺问题还没有理想的解决办法,如碳化硅半导体表面挖槽工艺、终端钝化工艺、栅氧层的界面态对碳化硅MOSFET器件的长期稳定性影响方面,行业中还有没有达成一致的结论等,大大阻碍了碳化硅功率器件的快速发展。
 
九、为什么SIC器件还不能普及?
 
早在20世纪60年代,碳化硅器件的优点已经为人们所熟知。之所以目前尚未推广普及,是因为存在着许多包括制造在内的许多技术问题。直到现在SIC材料的工业应用主要是作为磨料(金刚砂)使用。
 
SIC在能够控制的压力范围内不会融化,而是在约2500℃的升华点上直接转变为气态。所以SIC 单晶的生长只能从气相开始,这个过程比SIC的生长要复杂的多,SI在大约1400℃左右就会熔化。使SIC技术不能取得商业成功的主要障碍是缺少一种合适的用于工业化生产功率半导体器件的衬底材料。对SI的情况,单晶衬底经常指硅片(wafer),它是从事生产的前提和保证。一种生长大面积 SIC衬底的方法以在20世纪70年代末研制成功。但是用改进的称为Lely方法生长的衬底被一种微管缺陷所困扰。
 
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,在过去三年中,这种缺陷密度已从每平方毫米几万根降到几十根。除了这种改进外,当器件的最大尺寸被限制在几个平方毫米时,生产成品率可能在大于百分之几,这样每个器件的最大额定电流为几个安培。因此在SIC功率器件取得商业化成功之前需要对SIC的衬底材料作更大技术改进。
 
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SIC工业生产的晶片和最佳晶片的微管密度的进展
 
制造不同器件成品率为40% 和90% 的微管密度值
 
上图看出,现在SIC材料,光电子器件已满足要求,已经不受材料质量影响,器件的工业生产成品率,可靠性等性能也符合要求。高频器件主要包括MOSFET SCHOTTKY二极管内的单极器件。SIC材料的微管缺陷密度基本达到要求,仅对成品率还有一定影响。高压大功率器件用SIC材料大约还要二年的时间,进一步改善材料缺陷密度。总之不论现在存在什么困难,半导体如何发展, SIC无疑是新世纪一种充满希望的材料。
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