碳化硅功率器件研究现状

张玉明 汤晓燕 宋庆文

随着我国科技事业的大力发展，尤其是航空航天、高铁和高压输电等尖端领域，非常需要性能更好的功率器件作为研究和发展的支撑。而硅（Si）器件由于材料本身的限制导致其不适合在某些严酷条件下工作，例如在高温、高压和高辐射等特殊环境下其性能已经接近极限。而第3代宽带隙半导体材料由于其材料本身所具备的优势而被业界称为“极端电子学器件”的基础材料。以碳化硅（SiC）为基础材料的器件如今得到了业界广泛而深入的研究，研究领域囊括了各个方面，比如功率器件、LED二极管、紫外探测器、微波低功耗器件、太空辐照和电子电力系统等等。其中，SiC功率器件的商业化进展最为迅速，目前已经面向市场的SiC功率器件有SBD、MOSFET、JFET和BJT，而SiC-IGBT器件在近几年也实现了很大突破。

一、功率整流二极管

目前，SiC功率整流二极管的研究已经趋于成熟。从全球市场来看，美国的科锐（Cree）公司、欧洲的英飞凌（Infineon）和意法半导体公司以及日本的罗姆（Rohm）公司占据主要市场份额。2014年，中国的泰科天润半导体科技（北京）有限公司（简称“泰科天润”）打破了国外SiC肖特基二极管的商业垄断，其600V/10A、1 200V/20A等产品的成品率达到国际领先水平。

相关报道实验室中的SiC SBD最高击穿电压达到了10.8kV，SiC JBS二极管最高击穿电压也达到了10kV以上。2014年，中国电子科技集团公司第五十五研究所（简称“中电五十五所”）SiC JBS二极管[1]的击穿电压为10kV，为目前国内最高指标。近几年，SiC功率整流二极管的关注重点移向了沟槽式SiC JBS二极管，2011年日本研究者报道的文献表明，沟槽式SiC JBS二极管相对于SiC SBD正向势垒高度可减小0.46eV，反向表面电场可减小1MV/cm[2]，浙江大学1 200V沟槽式SiC JBS二极管也见诸报端。此外，日本学者最先提出的FJ SBD也受到广泛关注，实验室的最高功率优值为11.3GW/cm2[3]。

西安电子科技大学利用10μm，掺杂浓度为5×1015/cm3的外延SiC外延片，采取10个P+高掺杂场限环制作了SiC JBS二极管，正向电流可以在1.8V达到35A，比导通电阻2.41mΩ·cm2，并联封装可使所制器件在3V时达到100A正向电流，反向击穿电压达到1 600V，反向恢复时间为20ns～150ns。采用30μm和50μm外延片设计，分别制备了3.3kV和5kV SiC JBS二极管，正向电流可以在3V下分别达到10A和2A。击穿电压达到3.7kV和5.7kV，击穿效率分别达到了90%和80%，反向恢复时间都为20～150ns。在50μm外延层上制备了具有新型沟槽场限环终端结构的SiC JBS二极管。其反向击穿电压可以达到6 400V，击穿效率达到理想值的91.4%。

西安电子科技大学对FJ-SBD器件开展了理论和实验研究，建立了4H-SiC浮动结SBD的正向导通电阻解析模型和反向击穿电压解析模型[4]，国内首次报道了FJ-SBD器件的实验结果，功率优值相比传统结构提高了3倍[5]。

SiC PiN二极管在5kV以上的功率二极管中极有潜力。目前报道的SiC PiN二极管中最高击穿电压达到了26.9kV[6]，最大容量SiC PiN二极管达到了1 000A/6.5kV。但是外延层内过多的深能级缺陷导致少子寿命较低，无法实现有效的电导调制，如何改善低掺杂厚外延材料的少子寿命成为了关注热点。国内方面，西安电子科技大学于2014年首次使1.5kV SiC PiN二极管[7]的正向导通电流达到30A。

二、金属-氧化物-半导体场效应晶体管 （MOSFET）

作为单极功率器件，由于其具有低导通电阻、高输入阻抗、高开关速度等优势，SiC MOSFET在阻断电压300～4 500V范围内将成为理想的高压功率开关器件，完全有可能取代Si IGBT器件进一步提高系统的整体效率以及开关频率。

国外已经实现SiC功率MOSFET的量产，其中Cree公司已推出600V、1 200V和1 700V共3个系列、几十款VDMOSFET器件，电流从1～50A不等；Rohm公司的产品集中在400V、600V以及1200V电压上；意法半导体公司也有1 2 00V / 20A以及1 200V/45A两款产品报道；此外，老牌半导体商IXYS推出2款600V/15A和1 200V/47A。

国内对SiC功率MOSFET的研究起步较晚。2012年西安电子科技大学研制出850V SiC UMOSFET器件[8]；2014-2015年年初，中电五十五所、西安电子科技大学、中国科学院微电子研究所分别研制出了1 200V SiC VDMOSFET器件，最大电流10A[9，10]。

SiC MOSFET器件面临的主要问题还是反型层迁移率低。常规热氧化的SiC MOS界面存在固定氧化物电荷、界面陷阱电荷以及粗糙度等问题，所引起的强库伦散射会使反型层中的电子迁移率很低，显著影响了器件的导通电流。为了解决这一问题，特殊的氧化方法以及新型的退火工艺成为SiC MOSFET器件的研究重点[11]。此外，在不同晶面上的氧化研究也成为近年来的热点，研究主要集中在（0001）Si面，（000-1）C面以及（11-20）a面。结果表明：C面与a面氧化速率远远快过Si面，但C面界面陷阱较多，在a面上获得的界面态密度最低，同时获得的迁移率最高。研究利用（11-20）配合P钝化退火获得了高达128cm2/（V·s）场效应迁移率。由于（11-20）面属于非极面，并没有大规模商业化生产。西安电子科技大学在利用高温氧化配合一氧化氮（NO），退火对界面态的研究中发现，提高氧化温度有助于降低界面态密度，在1 350℃配合NO退火（1 175℃，2h）的樣品中获得了3×1011/（cm2·eV）的界面态密度。在1 250℃栅氧化配合NO退火（5h）制备MOSFET测试单元中获得了38cm2 /（V·s）的迁移率。

二氧化硅（SiO2）栅介质面临的更严重的考验是其可靠性问题。由于其介电常数低于SiC，氧化物中的电场强度大约是SiC中的2.5倍，往往导致栅介质先于SiC材料击穿，影响SiC材料高击穿电场优势的发挥。氧化层中的高电场还会引起半导体材料和栅金属向栅介质注入电子，产生Fowler-Nordheim（FN）隧穿电流，导致介质时变击穿（time-dependent dielectric breakdown，TDDB），使器件面临非常严重的栅介质可靠性问题。若采用介电常数高的绝缘材料来代替SiO2，就能显著缓解栅介质的电场集中，以便充分发挥SiC材料的本征优势。西安电子科技大学已经开展氧化铪（HfO）、氧化铝（Al2O3）和氧化镧（La2O3）等介质的理论和实验研究工作。有关La2O3/SiO2/4H-SiC堆垛结构漏电机制的研究已经被AIP advance录用。高k介质应用在SiC功率器件的终端结构中能够明显降低器件边界的电场集中[12]。

SiC功率MOSFET器件的电压适用范围在400V以上，功率范围在1 000VA以上。随着外延技术的提高，厚度和质量不再是问题，据报道反向电压可以做到10kV，电流的大小也可以通过调节器件的面积来实现。

三、双极型晶体管（BJT）

SiC BJT属于常关的双极型载流子器件，它避开了SiC MOSFET遇到的栅氧问题，理论工作温度能达到500℃以上。和其他开关器件相比，它制作工艺比较成熟且流程简单，比较容易实现。由于存在电导调制效应，BJT的导通电阻比较低，降低了器件的导通损耗。

第一支大功率4H-SiC双极晶体管是在2000年8月的Electronics letters杂志上被提出[13]，该器件电流增益为9，击穿电压BVCEO为800V。此后，基于4H-SiC的高频、大电流、大功率双极晶体管进入了快速发展的时期，近年来，无论是从器件结构方面，还是从工艺优化方面，都取得了很大的进展。

在提高器件直流增益方面，2001年报道了第一支采用离子注入形成发射极的双极晶体管[14]，增益达40。2008年，Zhang.Q等人采用薄基区结构实现电流增益为110的4H-SiC BJT器件，同年，本田技术研究所宣布研制成功了电流增益高达145的SiC BJT，器件的击穿电压为1 100V，导通电阻只有1.7mΩ·cm2。至2011年，日本京都大学Kimoto课题组通过采用DLR处理和NO退火相结合的工艺实现了电流增益为257（Si面）和439（C面）的SiC BJT器件，目前为电流增益的最高值。

在提高器件的击穿电压方面，Cree公司的S.Ryu等人在2000年的ISPSD会议中报道了1 800V，导通电阻为10.8mΩ·cm2的双极晶体管。2004年，美国Rutgers大学和USCI公司联合研制成功阻断电压9.28kV，比导通电阻49mΩ·cm2的4H-SiC BJT，不过电流增益只有7。2007年， S.Balachandran等人报道了耐压为6kV的SiC BJT器件，采用选择性外延工艺形成基极欧姆接触区域，其集电区掺杂浓度为1.1×1 015/cm3，厚度为45μm。2012年11月，日本京都大学的Kimoto课题组设计了空间电荷调制型（SM-JTE）终端，在集电区厚度186μm、浓度为2.3×1014/cm3的材料上研制成功了击穿电压高达21kV的4H-SiC BJT器件，电流增益为63。

国内的研究主要集中在模型及新结构设计。2012年，西安电子科技大学首次成功实现了4H-SiC功率BJT樣品，器件的电流增益为20[15]，设计了一种新型结构的4H-SiC BJT，仿真结果显示该结构的最大电流增益可以达到191，为相同外延参数下常规器件的2倍[16]。2015年9月，泰科天润发布了其1200V/10A SiC BJT研究成果，电流增益为85.8，所组成的功率模块容量达到53.03kW。

从目前的研究现状来看，BJT所受到的关注度远低于MOSFET以及IGBT的，但BJT也有其独特的优势：由于没有栅氧化层工艺，BJT的高温特性会更为显著，工作在500℃的BJT单管功率器件和集成电路也已分别被验证；由于不存在栅氧化层电容，BJT的开关速度要优于MOSFET；由于电导调制效应的存在，BJT在超高压（>10kV）和大电流领域的应用要优于MOSFET等单极型开关器件。

四、结型场效应晶体管（JFET）

第1个4H-SiC JFET由P.Friedrichs等人在1999年研发成功[17]，经过多年研究器件性能不断提高，工业生产也已经实现，目前市场上有Infineon和USCI两家公司提供SiC JFET产品，电压量级均为1 200V。之后，上述科研人员又开发了垂直沟道结型场效应晶体管（vertical junction field effect transistor，VJFET），其结构具有较低的导通电阻，关断电压分别为600V、1 200V和1 800V。2008年1 680V/54A的SiC JFET研制成功，栅极偏压为2.5V时输出电流达到53.6A，采用自对准结构的保护环终端技术能使器件的关断电压达到11.8μm厚，n-漂移层的极限值的77%。同年该研究小组也报道了2 055 V/25A的SiC JFET，主要技术进步是采用了自对准结构的多个浮动保护环终端技术。2011年，北卡罗来纳州州立大学的Sung Woongje博士在其博士论文中介绍了10kV常开型JFET以及多种结构的JFET器件。United Silicon Carbide公司2014年报道了6.5kV常闭型JFET的技术细节。

在国内，2013年南京电子器件研究所陈刚等人利用自主生长的SiC外延材料，研制出1 700V常开型和常关型SiC JFET器件，正向电流达3.5A。2014年浙江大学盛况小组报道了3 500V/15A常关型SiC JFET。

五、絕缘栅双极型晶体管（IGBT）

SiC IGBT综合了功耗低和开关速度快的特点，相对于SiC MOSFET以及硅基的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[18]。

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截止电压、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。

2012年，Cree公司Sei-Hyung Ryu等人制成6.7mm×6.7mm，有源区面积为0.16cm2的4H-SiC p-IGBT，正向击穿电压15kV，在室温栅压-20V条件下，比导通电阻为24mΩ·cm2。其制成的同样面积的n-IGBT截止电压12.5kV，在室温栅压20V条件下比导通电阻为5.3mΩ·cm2。设计中采用了缓冲层并重点设计了缓冲层的厚度与掺杂浓度。报道指出缓冲层的设计对器件的静态特性及开关特性均有显著影响。2014年，Tadayoshi Deguchi等人制成了击穿电压为13kV，当测试温度为523K时，栅压-20V时微分比导通电阻为33mΩ·cm2的平面栅p-IGBT，在5kV/1A感性负载条件下，器件的关断损耗小于10mJ[19]。该实验研究了电荷阻挡层和JFET区离子注入对器件特性的影响。同年，Tomonori Mizushima等人报道了阻断电压为16kV的4H-SIC n-IGBT，当栅极电压为30V时，器件微分比导通电阻为14mΩ·cm2[20]。该团队使用Flip-type方法和注入-外延混合工艺，作为解决制备n-IGBT时使用的P型衬底质量较差的方法，同时提高了沟道迁移率，从而改善整体器件特性。

由于n-IGBT需要P型集电极注入区，若采用P型衬底，则由于P型衬底电阻较大，通常所得器件导通损耗较大。为了解决这一问题，目前报道的方法主要有：独立外（Free Standing）延层法和Flip-type方法，独立外延层法是在衬底上制备器件后直接去除衬底，Flip-type方法是指在高质量的N型衬底上外延高质量的漂移层、缓冲层以及P型集电极注入区后，翻转晶片，去除衬底再通过注入-外延混合工艺制备发射极和栅极结构。这2种方法的工艺复杂度较高，并且可靠性方面还缺少充分论证。

其次，由于IGBT在功率变换等领域具有重要应用，提高SiC IGBT的开关频率具有重要意义。由于结构的相似性，除了与MOS结构相关的电容因素外，影响IGBT开关频率的因素还有漂移层中的少子积累导致器件关断时存在的拖尾电流，然而正是由于IGBT漂移层中的少子积累使得它相较于DMOSFET具有更低的导通电阻。为了能够提高SiC IGBT的开关频率，目前主要通过采用合理设计缓冲层厚度与掺杂浓度减少阳极少子注入效率等方法。这些方法在提高器件开关频率的同时，也增大了器件的导通电阻。在提高器件工作频率方面，可以进行的研究工作还很多：一方面，国内外研究人员对SiC IGBT开关频率及开关损耗的研究报道比较少，目前的主要工作仍集中在IGBT导通特性的改善上；另一方面，人们对IGBT开关特性的物理过程和机理了解的还不充分，有待于进一步的理论研究。

六、结语

作为第3代宽禁带半导体材料，SiC已被证实在高压大电流领域拥有巨大的应用前景。单晶衬底质量以及外延材料质量的不断改善极大地推动了碳化硅功率器件的发展。目前，国外已商业化的产品有不同电压和电流等级的SBD、MOSFET、BJT以及JFET器件。其中，以SBD和MOSFET为代表的单极型器件在5kV工作电压以下可以实现较高的工作频率，具有很大的应用优势。如何进一步提升诸如高温、应力等可靠性问题是此类器件今后的主要研究问题。由于电导调整效应的影响，双极型功率器件在高铁驱动以及电力运输等超高压（>5kV）应用领域具有更好的应用前景。具有高少子寿命和低掺杂浓度的厚外延材料是实现超高压、低损耗双极型功率器件的关键问题。

在国家的大力扶持下，国内的碳化硅研究进入新一轮热点，相信在和其他高校、企业以及研究所的共同努力下，国内外SiC研究的差距终会消除，中国将逐渐摆脱国外功率半导体芯片的控制状况。

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