功率器件
功率器件
更高电压、更高效率、更高功率密度代表了电力电子器件技术的发展主题。近年来新兴的宽禁带半导体材料成为工业界的热点，凭借优越的材料特性为电力电子器件技术带来了新的发展动力，其中以 SiC 为代表的宽禁带半导体的技术成熟度较高，在一些应用领域开始逐步取代硅基电力电子器件。4H-SiC 的禁带宽度几乎为硅的 3 倍，其本征载流子浓度远低于硅; 热导率也达到硅的 3 倍，因而更加适合高温、高电压工作; 10倍于硅的击穿场强使 SiC 更适合制作高压器件，能够突破硅器件击穿电压的极限，达到 10 kV 甚至 20 kV 以上［1］。高击穿场强使器件具有厚度更薄、掺杂浓度更高的漂移层，实现更低的比导通电阻和更高的导通电流密度。SiC MOSFET( metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET) 不需要采用超结等复杂结构就可以实现远低于同电压等级硅 MOSFET 的比导通电阻。与此同时，作为单极型器件，SiC MOSFET 具有比同电压等级硅 IGBT( 绝缘栅双极型晶体管) 更低的开关损耗，从而实现更高的开关频率和更高的功率密度。
SiC MOSFET 是目前最为成熟、应用最广的 SiC 功率开关器。但是，SiC MOSFET 的沟道迁移率低的问题仍然比较突出，对于中低压器件( 650 ～ 1 700 V) 沟道电阻占总导通电阻的比例较高。罗姆和英飞凌采用沟槽结构 SiC MOSFET［2-3］，没有 JFET( 结型场效应管) 区，具有更高的沟道密度，同时沟道所在 SiC 晶面具有较高的沟道迁移率，因此能够实现更低的比导通电阻。而 Cree 和意法采用平面结构 SiC MOSFET，通过优化器件的结构设计，实现了性能和可靠性俱佳的产品技术，得到了广泛的应用。Cree 发布的第三代平面结构 SiCMOSFET［4］，1 200 V 产品的比导通电阻仅为 2． 7 mΩ·cm2，在高压领域也显示出优越的性能，10 kV 和 15 kV器件的比导通电阻分别为 123 mΩ·cm2 和 208 mΩ·cm2，接近单极型 SiC 器件的理论极限。
为建立性能优越、可靠性满足工程应用要求的 SiC 电力电子器件产品技术，南京电子器件研究所( NEDI) 一直从事 SiC MOSFET 器件结构设计和关键工艺技术的开发，2017 年研制出 1 200 V SiC 功率MOSFET 器件［5］，击穿电压达 1 800 V，比导通电阻 8 mΩ·cm2。近年来通过对器件结构设计和关键工艺技术的不断优化，SiC MOSFET 器件性能得到了明显提升，器件阻断电压也得到了大幅度扩展。本文介绍了本团队在 SiC 功率 MOSFET 开发方面的最新成果。
1 实 验
为了实现高阻断电压，同时保证器件高可靠性，研制的 SiC 功率MOSFET 器件采用 DMOS 结构，如图 1所示为 SiC MOSFET 单胞的剖面结构示意图。SiC MOSFET 器件的导通电阻主要包括: 源极欧姆接触电阻、沟道电阻、JFET 区电阻、外延漂移区电阻、衬底电阻以及背面漏极欧姆接触电阻。中低压( 650 ～ 1 700 V)SiC MOSFET 器件的总导通电阻中沟道电阻占比较高，采用较小单胞尺寸以提高沟道密度，同时通过栅氧介质形成工艺的改进提升沟道迁移率，并采用长短沟道从而进一步降低沟道电阻。对于击穿电压超过 6 500 V的高压 SiC MOSFET 器件，总导通电阻中 JFET 区电阻和外延漂移区电阻的比例显著增大，前者可以通过JFET 区选择掺杂来降低，而降低后者则需要采用较高的掺杂浓度和较低的外延层厚度。图 2 展示了在不同外延层厚度条件下，通过仿真获得的 SiC 器件击穿电压与外延掺杂浓度的关系，从理论上指导高压 SiCMOSFET 器件外延结构的设计。高压 SiC MOSFET 的总导通电阻中沟道电阻占比降低，采用了较大单胞尺寸较长的沟道以降低工艺难度，改善器件的阻断特性。器件的终端保护采用了易于实现、重复性更好的场限制环终端结构，通过调整保护环的数量、间距以满足不同击穿电压器件的研制要求。
1． 2 加工工艺
2． 2 6． 5 kV SiC MOSFET
在 6 英寸( 152． 4 mm) SiC 衬底上生长了 60 μm 厚掺杂浓度为 1． 2 × 1015 cm － 3 的 n 型外延材料，采用12 μm的单胞尺寸和长度为 1 μm 的沟道。研制的 6． 5 kV /150 mΩ SiC MOSFET 击穿电压达 7． 8 kV，在阻断
电压为 6． 5 kV 时漏电流小于 2 μA，有源区面积 35． 6 mm2，比导通电阻 53 mΩ·cm2。采用自主设计的封装结构和自主 SiC MOSFET 及 SiC SBD 芯片研制出 6． 5 kV /400 A SiC MOSFET 功率模块，该款模块由 20 颗 6． 5 kV SiC MOSFET 和 16 颗 6． 5 kV SiC SBD 并联封装组成。模块的内部结构如图6( a) 所示，采用 15 mil( 0． 381 mm) 铝线进行电路连接( 芯片与 DBC 之间) 。芯片、DBC、铜板焊接回流完成后，安装到对应的塑胶壳体中，并注入具有保护和绝缘功能的硅凝胶。模块封装完成后实物如图 6( b) 所示，模块尺寸为 130 mm × 140 mm × 48 mm。
室温下 6． 5 kV /400 A SiC 功率 MOSFET 模块的导通性能测试结果如图 7( a) 所示，当栅极电压 VGS = 20 V、漏源极电压 VDS为 3． 5 V 时，模块导通电流达 400 A。如图 7( b) 为室温下 6． 5 kV /400 A SiC 功率MOSFET 模块阻断性能的测试结果，测试过程中栅极和源极短接，在阻断电压 6． 5 kV 时模块漏电流小于 20 μA。
2． 3 10 ～ 15 kV SiC MOSFET