毫無疑問，所謂的第三代寬禁帶半導體碳化硅正在發揮其眾所周知的潛力，在過去五年中，汽車行業一直是該材料的公開試驗場。基于 SiC 的傳動系統逆變器——將來自電池側的直流電轉換為電機側所需的交流電的功率轉換器——比基于 Si IGBT 的祖先更小、更輕且更高效。?

然而，電氣化議程不會以汽車開始和結束。更廣泛的運輸應用將很快出現，包括卡車和公共汽車、船舶和航運、火車的進一步電氣化，甚至飛機。在供應方面，并網太陽能發電系統和通過高壓直流 (HVDC) 鏈路傳輸能源對于低碳能源的生產和分配也至關重要。?

這些應用的一個共同主題是更高系統電壓的潛在作用，因此，更高電壓的功率設備。在 EV 中，從 400 V 轉變為 800 V 的好處主要是可能的更快充電速率。在太陽能逆變器中，從 1,000-V 到 1,500-V 系統的持續轉變正在減少光伏串、逆變器、電纜和直流接線盒的數量，所有這些都可以提高效率并節省成本。在標稱電壓為數百千伏的千兆瓦 HVDC 裝置中，較高的單個設備額定值會減少多級堆棧中所需的設備數量，從而減少維護和整體系統尺寸。?

SiC 功率器件有可能成為這些領域的關鍵推動力。然而，今天，市場上可用的 SiC 器件范圍非常窄，從 650 V 到 1,200 V，只有少數 1,700-V 器件可用，雖然 3,300 V 在技術上看起來觸手可及，但只有GeneSiC提供器件在這個電壓水平。?

當然，這種對所提供汽車獎品的單一關注是可以理解的。爭奪該行業市場份額的競賽導致公司努力提高產能、采用 200 毫米晶圓并提高產量。這為打開高壓市場所需的大量研發活動留下了很少的空間，相比之下，高壓市場相對較小。?

圖 1：當前的 Si 和 SiC 器件格局，以及對 SiC 未來潛在市場的預測?

值得慶幸的是，研究部門一直在努力工作，已經設計、制造和試用了許多更高電壓的 SiC 技術演示器，讓我們很好地了解了 SiC 超結 (SJ) MOSFET、IGBT 和晶閘管的影響。可能對這些高壓應用。?

電壓上升，而不是下降？

650 V 仍將是 SiC MOSFET 的底線，這是一個相當安全的預測。圖 2 顯示了單極極限圖，它描繪了當今的商用 SiC 器件，并繪制了它們的電阻與阻斷電壓的關系圖。這揭示了該技術的局限性。隨著電壓阻斷漂移區在 650 V 時的厚度減小到僅 5 μm，器件的電阻已經減小到這樣的程度，即來自 SiC 溝道區和襯底的固定電阻占主導地位，從而阻止了進一步縮小尺寸。反抗。雖然在未來幾代中改進 650-V MOSFET 似乎有相當大的余地，但很難將這些固定電阻降低到足以支持商用 300-V SiC MOSFET 的程度。?

在這些低電壓下，沒有通道的器件（例如Qorvo/UnitedSiC 的級聯 JFET）具有 R DS(on)優勢：一些晶圓變薄，允許實現非常低電阻的 SiC FET。實際上，考慮到使用工業兼容方法可以進一步提高 SiC 溝道遷移率的實際限制，SiC JFET 可能是唯一可以實現低于 600 V 額定電壓的器件。

圖 2：當前 650V 和 1,200V SiC 器件情況，繪制在單極極限圖上?

擴大單極 SiC MOSFET

圖 2 中表示當前 SiC 技術限制的點劃線暗示的是，雖然 SiC 在 650 V 和 1,200 V 時是一種很好的技術，但它有可能在更高的電壓下變得更好。由于漂移區被縮放到 30 μm 以支持額定電壓為 3.3 kV 的器件，其電阻超過了基板和通道的電阻，從而使器件更接近技術極限。因此，在未來，經過磨練以達到當今 SiC 器件質量的高壓 SiC MOSFET 在高達 10 kV 的電壓下將比現有的 Si 技術具有更大的優勢。?

從技術上講，幾乎沒有阻止 SiC MOSFET 技術的規模化。3.3 kV 器件在學術文獻中已經相當成熟，1并且已經存在制造高達約 10 kV 的優質外延層所需的技術。?

然而，使用PGC Consultancy 的 SiC 裸片成本模型進行建模時，SiC 裸片的經濟性會在這些較高電壓下發生變化。首先，所需的電壓越高，支持它的漂移區必須越寬，因此，外延成本就越高。其效果如圖 3 所示，其中外延成本超過了襯底，成為 60-μm、6.5-kV 器件的最大加工成本。?

圖 3：將 SiC MOSFET 擴展到 15 kV 時的預計成本。（不包括分揀/鑒定后的芯片良率。外延良率以 100-A 芯片和 0.2 個缺陷/cm 2為模型。）?

雖然多晶片外延工具的創新可能會降低這一成本，但由厚漂移區域的電阻引起的第二個成本問題是不可避免的。電壓等級的每一步都需要一個漂移區，該漂移區比以前的等級更厚且摻雜更低。隨著電壓加倍，電阻將增加約 5.5 倍。2為了抵消這一點，并保持給定的電流/電阻額定值（圖 3 中的 100-A 裸片），裸片尺寸必須按比例增加。然而，擴大管芯對良率產生復合影響，從而對成本產生影響。每個晶圓生產的管芯數量較少，而外延缺陷所抵消的比例要高得多——即使可以保持低缺陷密度（圖 3 中?為 0.2 個缺陷/cm 2 ）。

這些影響的結果如圖 3 所示，體現在更高電壓下不斷上升的外延良率成本和飛漲的裸片成本（15 kV 時達到 650-V 裸片的 75 倍）。?

回想起來，SiC MOSFET 看起來是一個可行的方案，最高可達 6.5 kV，甚至可能達到 10 kV，但與這些設備相關的成本可能會阻礙更高電壓的實施。?

雙極器件是解決方案

當然，歷史會重演，降低漂移區電阻以及芯片尺寸的關鍵是采用雙極解決方案、IGBT 和晶閘管，如圖 4 所示。雙極器件的折衷方案是接受較慢的與單極 MOSFET 相比，開關能力和開關損耗更高，以換取電導調制的低電阻漂移區。對于任何需要 10kV 以上 SiC 器件的應用來說，這種權衡不太可能成為問題；以 50/60 Hz 運行的 HVDC 轉換器幾乎不需要快速、低損耗的開關。事實上，他們已經在使用 Si IGBT 和晶閘管。?

圖 4：本文討論的功率器件的橫截面?

然而，這些器件需要與當今的 SiC MOSFET 相比有許多技術飛躍。第一個問題是傳統的 N 溝道 IGBT 和 P 基極晶閘管都需要高度 P 型摻雜 (P+) 的集電極區。由于在晶種升華過程中將 P 摻雜劑鋁摻入基板中的挑戰，P+ 基板不可用。3如上所述，目前 SiC 材料供應商幾乎沒有動力解決這個問題，因此必須找到其他解決方案。這通常涉及在 N+ 襯底上生長所有器件層，然后磨掉原始晶圓——使用與減薄 MOSFET 襯底相同的工藝。使用這種技術，已經展示了許多 IGBT — 在 6.5 kV、4、15 kV、5和 27.5 kV 6 — 以及 7.6 kV 7和 20 kV 的晶閘管。8

第二個問題是 SiC 的載流子壽命，該值必須最大化以促進電導率調制。在硅制造領域，通常的問題是材料太純凈以至于需要引入缺陷以縮短 壽命，從而降低開關損耗。在 SiC 中，情況正好相反。在外延過程中引入了稱為碳空位的缺陷，導致壽命非常短（1-2 μs）。因此，在 IGBT/晶閘管制造之前，壽命延長工藝（一種長氧化工藝）是最廣泛用于驅動碳進入漂移區以填充空位并將壽命延長至 10-20 μs 的工藝。?

假設這兩種工藝都可以被大規模掌握和實施，那么高質量的雙極器件在 SiC 中是可能的，這可以將給定電壓下的芯片面積減少多達 10 倍。直到現在還沒有提到，PIN 二極管可能是第一個也是最容易推向市場的高壓 SiC 器件，因為它們可以直接在 N+ 襯底上生產。?

介于兩者之間？

SJ 器件是降低 SiC MOSFET 電阻的另一種潛在方法，它是全單極 MOSFET 和 IGBT 之間的中間地。然而，熟悉的深注入工藝，用于在 Si 中制造窄 N 型和 P 型柱，9,10在 SiC 中是不可能的，它的高原子密度導致非常淺的注入。因此，已經設計了替代制造方法來創建所需的垂直 pn 柱，包括在 SiC 中蝕刻溝槽并用外延法重新填充它們。另一種方法2看起來是注入到溝槽側壁中。這些方法仍處于起步階段，仍有待克服的技術挑戰，但它們證明了 SiC SJ 器件是可能的。?

結論

與其他寬帶隙材料相比，SiC 的巨大優勢在于它的襯底是獨立的，并且它具有原生 SiO 2氧化物。這使得復制所有眾所周知的硅功率器件拓撲結構成為可能，所有這些都在電壓上移動。電動汽車的繁榮是啟動 SiC 行業、鼓勵市場競爭以及以更低的價格和更大的規模要求更高質量的材料所需的催化劑。然而，這也是擴大 SiC 電壓范圍是贏得 650 和 1,200 V 市場份額之后的第二要務的原因。然而，隨著時間的推移，SiC 將影響電網、可再生能源和交通運輸行業。事實上，許多關于如何生產下一代 SiC 器件的解決方案已經很清楚了。在商業上實現它們只是時間問題。?

　　審核編輯：湯梓紅