碳化硅电力电子器件曾经成为国表里探索和财产化热门，在一些运用范畴正在逐渐替换硅基电力电子器件。

本文总结了碳化硅材料和器件的性格，综述了国际上碳化硅电力电子器件技艺的进显露状，显露了宽禁带半导体电力电子器件国度重心实习室在该范畴获得的最新技艺进步。

碳化硅（SiC）做为继硅和砷化镓以后进步起来的宽禁带半导体的重大代表，正在成为制做高机能电力电子器件的愿望半导体材料，曾经显现出由其材料性格展望的机能上风，部份SiC器件胜利实行了财产化，在一些重大的动力范畴起头逐渐替换硅基电力电子器件。

SiC电力电子器件上风

更高电压、更高效率、更高功率密度代表了电力电子器件技艺的进步主旨。

在年以前的50年中，硅基电力电子器件技艺日趋老练，财产范围一直强大，在动力范畴表现了弗成或缺的效用。

但是受材料性格所限，硅基电力电子器件机能正在热诚其理论极限，难以连续支柱技艺和财产加紧行进的请求。

加入21世纪后，特别是在-年，诸多新兴的半导体材料成为产业界的热门，凭仗出色的材料性格为电力电子器件技艺带来了新的进步动力。

下表列出了硅和种种新兴半导体材料的性格，个中4H-SiC和氮化镓（GaN）属于宽禁带半导体，而氧化镓和金刚石为超宽禁带半导体。

决计电力电子器件性格的重要材料参数囊括禁带宽度、击穿场强、电子饱和漂移速率等。

4H-SiC、GaN、氧化镓以及金刚石的材料性格与硅比拟上风特别显著，在学术界和财产界越来越受注意，个中以SiC为代表的宽禁带半导体的技艺老练度较高，在一些运用范畴起头逐渐替换硅基电力电子器件。

4H-SiC的禁带宽度险些为硅的3倍，其本征载流子浓度远低于硅，热导率也到达硅的3倍，因此越发恰当高温、高电压做事。

10倍的击穿电场使SiC更恰当制做高压器件，能够冲破硅器件击穿电压的极限，到达10kV乃至20kV以上。

高击穿电场使器件具备厚度更薄、搀杂浓度更高的漂移层，能够实行更低的比导通电阻和更高的导通电流密度。

做为单极型器件的SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其比导通电阻远低于同电压等第硅MOSFET，最高击穿电压可超出硅绝缘栅双极型晶体管（IGBT），同时具备低导通耗费和低开关耗费，从而能够实行更高的效率和更高的功率密度。

国际进步

在漫溢SiC电力电子器件中，SiC肖特基二极管是贸易化水准最高的，每每采取结势垒肖特基（JBS）可能并和PIN肖特基（MPS）组织，具备反向泄电低、抗电流过冲本领强等上风。

SiC肖特基二极管在~V电压范围内具备出色的机能和靠得住性，已造成老练的产物技艺，精深运用于开关电源、光伏发电、新动力汽车等范畴。

英飞凌公司颁布的第六代SiCMPS二极管采取薄片、低势垒等先进技艺，升高导通电压，擢升导通电流密度，进一步擢升了产物的商场比赛力。

在更高电压的运用方面，SiC肖特基二极管也颇具吸引力，15kVSiC肖特基二极管已研发胜利，但其在高温、高阻断前提下的靠得住性有待考证。

SiCMOSFET是最为老练、运用最广的SiC功率开关器件，具备高开关速率、低耗费和耐高温等好处，被觉得是替换硅IGBT的最好筛选。

SiC材料能够过程热氧化工艺在表面成长氧化层，是以SiCMOSFET可根底采用硅基功率MOSFET的制备工艺。

但是由于SiC/SiO2界面处存在洪量的圈套电荷和界面电荷，使得SiCMOSFET的沟道转移率较低，从而使器件的导通电阻增进。

同时，SiC的临界击穿电场强度更高且介电常数是SiO2的2.5倍，轻易呈现由于SiO2内电场强渡太高而激发器件做废等靠得住性题目。

是以，务必优化计算SiCMOSFET的元胞结议和末端组织，同时深入探索栅氧介质的造成工艺。

SiC功率MOSFET每每采取平面组织可能沟槽组织，在~V电压范围内已造成老练的产物技艺。

SiC功率MOSFET器件组织

SiCMOSFET沟道转移率低的题目仍旧对照赶上，关于中低压器件（~V）沟道电阻占总导通电阻的比例较高。

罗姆半导体团体和英飞凌科技公司采取沟槽组织SiCMOSFET，没有结型场效应晶体管（JFET）区，具备更高的沟道密度，同时沟道住址SiC晶面具备较高的沟道转移率，是以能够实行更低的比导通电阻。

而Cree和意法半导体两家公司采取平面组织SiCMOSFET，过程优化器件的组织计算，实行了机能和靠得住性俱佳的产物技艺，获得了精深的运用。

Cree颁布的第三代平面组织SiCMOSFET，V产物的比导通电阻仅为2.7mΩ?cm2，在高压范畴也显示出出色的机能，10和15kV器件的比导通电阻别离为和mΩ?cm2，根底到达了单极型SiC器件的理论极限。

Cree公司SiCMOSFET研发终归

SiC功率MOSFET做为单极型器件，导通状况下过程大都载流子导电，当击穿电压到达10kV乃至更高时，高导通电阻成为束缚其运用的重大题目。

SiCIGBT是一种双极型器件，器件的后背多了一个pn结，当器件处于导通状况时，后背的pn结会将少子注入到漂移层，造成电导调制效应，从而实行更低的导通电阻，越发恰当智能电网等设备的高压大功率运用。

由于SiC的电子转移率比空穴转移率高1个量级，n沟道SiCIGBT（N-IGBT）比p沟道SiCIGBT（P-IGBT）具备更出色的导通和开关性格。

Cree公司和日本财产技艺归纳探索所等报导了12~27kV高压SiCN-IGBT的研发终归，15kVSiCN-IGBT的微分比导通电阻仅为14mΩ?cm2，而27kVSiCN-IGBT也惟有mΩ?cm2，充足显示出高压大功率的机能上风。

高压SiCN-IGBT研发终归

SiCN-IGBT需求p型SiC衬底，其品质和机能均有待擢升，别的SiC的载流子寿命对照低，束缚了SiCIGBT机能的进一步擢升。

SiC电力电子器件最新研发进步

依靠华夏电子科技团体公司第五十五探索所建树的宽禁带半导体电力电子器件国度重心实习室，努力于以SiC为代表的宽禁带半导体电力电子器件技艺探索和开采，建树了~VSiCMPS二极管和~VSiCMOSFET产物技艺，在新动力汽车、光伏发电等范畴实行了运用。

为进一步表现SiC电力电子器件高电压、大功率、高效率、高功率密度等上风，本实习室面向国际科技前沿开展SiCMOSFET、SiCIGBT等器件技艺的开采做事。

01

VSiCMOSFET

SiC功率MOSFET器采取了平面型组织。

研发的第一代V/80mΩSiCMOSFET器件，芯片的有源区面积为8.5mm2，比导通电阻6.8mΩ?cm2。遵循产业级准则实行了器件的靠得住性观察。

阈值电压和体二极管的平稳性是SiCMOSFET器件靠得住性的两项重大挑战。

在处境温度℃、栅极偏置电压+20V和-10V的应力前提下，过程h的观察，SiCMOSFET器件的阈值电压漂移率均小于0.3V。

SiCMOSFET器件的体二极管也承担了在处境温度℃、h的稳态做事寿命观察，显示出卓越的平稳性。

为进一步擢升SiCMOSFET器件的导通电流密度，升高栅电容，对SiCMOSFET器件的组织计算和建立工艺开展了革新探索。

特别是针对SiCMOSFET沟道导通电阻大的题目，开采了栅氧前氮注入与栅氧后氮化退火相联结的工艺，实行了沟道转移率的显然擢升。

联结SiCMOSFET单胞组织优化以及JFET区筛选搀杂技艺，研发出新一代V/80mΩSiCMOSFET器件，芯片有源区面积削减到6mm2，比导通电阻升高至4.8mΩ?cm2，击穿电压为0V。

V/80mΩSiCMOSFET导通和阻断测试弧线

该产物的靠得住性和可临盆性过程考证后，性价比将获得显著擢升。

02

6.5~15kVSiCMOSFET

采取平面型MOS组织，举行了高压SiCMOSFET器件技艺的开采。

在3.3kV以上的高压范畴，SiCMOSFET的沟道电阻在器件总电阻中的比例显著升高，而外表漂移层电阻成为最重要的构成部份，在做好器件耐高压计算以外，漂移区外表搀杂浓度和厚度的计算最为关键。

SiC器件击穿电压与外表层厚度以及浓度之间的瓜葛

研发的6.5kV/mΩSiCMOSFET击穿电压达7.8kV，在阻断电压为6.5kV时泄电流小于2μA，有源区面积35.6mm2，比导通电阻53mΩ?cm2。

将6.5kVSiCMOSFET与6.5kV硅IGBT的开关耗费举行了比较，SiCMOSFET器件的总开关耗费仅为保守Si-IGBT模块的1/15，是以越发恰当高开关频次运用。

开展了10和15kVSiCMOSFET器件的计算和制备。当栅极电压VGS为20V、漏源极电压VDS为5.0V时，研发的10kV/mΩSiCMOSFET器件的导通电流为10.4A，比导通电阻为mΩ?cm2。

研发的15kV/mΩSiCMOSFET采取了搀杂浓度6×cm-3、厚度μm的SiC外表漂移层，芯片尺寸为9.2mm×9.2mm，有源区面积30.1mm2，采取了总宽度为1.5mm的场限环末端。

室温下15kVSiCMOSFET的导通和阻断机能测试终归显示，器件的击穿电压达15.5kV，漏源极电压VDS为6.5V时导通电流达9.6A，对应的比导通电阻为mΩ?cm2，为当今报导的最高水准。

15kVSiCMOSFET导通和阻断测试弧线

03

20kVSiCIGBT

高压SiCN-IGBT在n型SiC衬底上次序外表成长了20μm厚的p+少子注入层，3μm厚n型缓冲层以及μm厚搀杂浓度为2×cm-3的n型漂移层。

器件的单胞长度为14μm，MOS沟道长度1.0μm，采取了总宽度为1.5mm的场限环末端，芯片尺寸为9.2mm×9.2mm，有源区面积30.1mm2。

SiCN-IGBT器件组织默示

SiCN-IGBT的正面工艺与SiCMOSFET基真类似，采取了℃氧化工艺以擢升载流子寿命。

在正面工艺实行后过程研磨去除n型SiC衬底，采取激光退火工艺在后背p+注入层表面造成卓越的p型欧姆来往。

室温下20kVSiCN-IGBT导通和阻断测试弧线，个中阻断性格是将器件浸入在绝缘液体中测试获得

当VGE=0V、VCE=20kV时，器件的泄电流为40μA。当VGE=20V，VCE=6.5V时，SiCIGBT的集电极电流达20A，微分比导通电阻为36mΩ?cm2，显示出SiCIGBT做为双极型器件在高阻断电压、高导通电流密度等方面的赶上上风。

论断

SiC电力电子器件曾经成为国表里探索和财产化热门。

国内漫溢科研机构正在过程技艺攻关追逐国际上百尺竿头的进步步调，建树了中低压SiC肖特基二极管和SiCMOSFET产物技艺，推动产物在数据中间电源、光伏发电、新动力汽车等范畴的批量运用，面向国际科技前沿开展高压和超高压SiCMOSFET、SiCIGBT等器件技艺的开采并获得重大成效，削减了与国际先进水准之间的差异。

“新基建”为宽禁带半导体器件带来新的进步机会，咱们应捉住机会，加速擢升以SiC为代表的新一代电力电子器件的技艺水准，竭力实行从跟跑到并跑再到领跑。

本文做家：柏松，李士颜，杨晓磊，费朝日，刘奥，黄润华，杨勇做家简介：柏松，华夏电子科技团体公司第五十五探索所、宽禁带半导体电力电子器件国度重心实习室，探索员，探索方位为宽禁带半导体电力电子器件。论文颁发于《科技导报》年第14期欢送定阅观察

实质为

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