来源:本文由半导体行业观察转载自公众号功率半导体那些事儿,作者 Disciples

记得不久前我们讨论过 SiC IGBT 为什么没有成为当下流行的 IGBT 器件,当时我们突出的一个因素是成本。最近,看到一篇文章,对于 SiC IGBT 的制造、特性和应用进行了较为系统的概述,下面基于这篇文章我们重新来聊聊 SiC IGBT--一个是第三代宽禁带半导体材料的翘楚,一个代表着功率器件的最高水平,应该有怎么样的趋势?

我们之前聊了太多关于绝缘栅双极型晶体管 (IGBT),其结合 MOS 的高输入阻抗和双极型期间的电流密度的特性,暂时成为当下最高水平的功率器件。而传统的 Si IGBT 最高电压据说只能达到 8.4KV,接近 Si 器件的极限,但在高压和大电流的应用中依旧能够采用器件串并联,或者多电平的拓扑来弥补电压上限。但是,频率和工作温度却限制了高压大功率领域中 Si IGBT 的发展,同时减少器件数量,简化系统结构也是发展趋势,需要器件新的突破。而第三代宽禁带半导体 SiC 的出现,其在高压、高温、高功率的领域表现出更强的竞争力。(此类领域其实并不太关注我们之前所说的“成本”这一因素)。

基于 Si IGBT 的优点,SiC IGBT 同样也结合了 SiC MOSFTE 和 SiC 晶体管的优点,即 SiC 界的最高水平 (当然,未来皆有可能,不局限于此)。但是,对于 SiC IGBT,SiC/SiO2 界面特性,电磁干扰和短路耐受能力等却限制了它的使用。任何新事物出现在大众视野之前,很多都是经历过一些发展的,其实早在 1996 年就有了第一个 6H-SiC IGBT。大体的发展历程参见下图:

SiC IGBT 的机遇与挑战

SiC IGBT 的发展至少也有 30 年了,大众视野中很少会提及到 SiC IGBT 产品,并不是没有,只是太多事情是我们目不可及的。就目前而言,SiC 器件的制成还有着很多难点需要突破和解决,下面我们就来看看 SiC IGBT 的现状和挑战。

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制备的挑战

n 沟道 SiC IGBT 的制备

从 SiC IGBT 的发展轴线图,我们可以看到 SiC n-IGBT 有着优的动静态性能,其需要高掺杂 p 型集电极作为空穴注入层。然后商用 p 型衬底的电阻率很高,质量较劣,这限制了 SiC n-IGBT 的性能发挥。而在独立技术提出之后,通过在 n 型衬底上生长出 n-和 p+来作为漂移层和集电极,使得 n-IGBT 得到进一步发展。

SiC IGBT 的机遇与挑战

作为底层的 p 型外延层需要足够的厚度以及较高的掺杂浓度来保证机械强度和串联寄生电阻。但是在较厚的 p 型外延层中,掺杂浓度受薄欧姆接触的形成、生长速率、表面粗糙度和生长缺陷的限制。同时,由于 SiC 的硬度和化学惰性,使得 n 型衬底很难去除,这也需要进一步的完善工艺。

缺陷,以及寿命增强

SiC 晶片的质量直接决定了 SiC IGBT 器件的性能、可靠性、稳定性和产率,间接地影响制造成本。SiC 晶圆中的缺陷主要包括材料固有的缺陷,外延生长引起的结构缺陷,如微管、位错、夹杂和堆积等(在之前我们聊 Si 基制造工艺时有涉及)。通过优化生长工艺和生长后处理工艺,使得这些缺陷被降到了合理的范围,这使得低压 4H-SiC MOSFET 器件得到商业化。而对于 SiC IGBT 来说,上述缺陷作为复合中心,大大降低了载流子的寿命,高压 SiC 双极型器件需要很长的载流子寿命来降低导通压降,此外,载流子寿命也主导这导通压降和开关速度之间的折衷,所以需要进行寿命增强。

可以通过 C+离子注入 / 退火、热氧化 / 退火或者是优化生长条件来降低影响载流子寿命的缺陷密度,但是这相对于 10kV 以上的 SiC IGBT 来说,这些措施还是足以满足,除此之外,寿命分布的不均匀性,不同缺陷密度之间的权衡,生长后产生的目标缺陷和新缺陷之间的权衡等等,都是阻碍 SiC IGBT 商业化的因素。

大尺寸、高质量材料和低缺陷密度外延生长工艺都是实现 SiC IGBT 的关键。

SiC/SiO 2 界面性能

SiC 相比于 Si IGBT 的性能更优,但是还是使用 SiO2 来作为栅极的氧化层,带来了 SiC/SiO2 界面的新问题。SiC IGBT 可以像 Si 基的一样较容易形成 SiO2 层,但是在氧化的过程中,除了近界面陷阱外,还会引入额外的 C 簇,使得 SiC/SiO2 界面陷阱密度远大于 Si/SiO2,导致 SiC MOS 的沟道迁移率大大降低。引入氮是降低后退火中界面陷阱密度的有效方法,但是氮的引入造成了新的缺陷,造成了可靠性的问题。所以为了获得高质量的 SiC/SiO2 界面,就需要完全去除剩余的 C 原子和近界面陷阱。

还有个主要的问题就是氧化层的高电场。在 4H-SiC IGBT 中,SiO2 中的电场是 SiC 中的 2.5 倍,与 Si IGBT 相比,SiC IGBT 中较高的临界电场使得 SiO2 的电场更高。有些研究使用高介电常数的介电体代替 SiO2 来降低栅绝缘层和 SiC 之间的电场比,但是新介质和 SiC 界面带偏置较低,其界面缺陷密度大,漏电流较大,虽然一定程度上提高了沟道迁移率,但是和现有大规模制造的兼容性以及在高压工况下的长期稳定性难以处理。

终端技术

为了保证 SiC IGBT 的高压,可靠和坚固的终端是必须的,终端能够保证器件能够支持大于 90% 的整体击穿电压。结端扩展 (JTE) 和 场限环 (FLRs) 是目前 SiC IGBT 的两种主要终端技术。为了缓解边缘电场效应,SiC IGBT 的终止长度要比 Si 基的长很多,终端面积占了整个芯片面积的 50% 以上,导致芯片面积较大。

精确控制注入剂量和优越的面积利用是 JTE 技术实现均匀电场的必要条件,因此 JTE 主要用于低压器件。而 FLR 技术主要用于高压器件,但其在高压器件中需要消耗很大的面积。针对这一问题,提出了线性或区域优化距离的 FLRs 技术,缩短了 30% 的终止长度,增加了 23% 的击穿电压;以及 JTE 和 FLR 结合的 JTE 环技术,在相同的击穿电压减小了 20~30% 的终端面积。

封装技术

目前,SiC IGBT 仍封装在线绑定的模块中,绑定线失效和焊料的失效是常见的寿命限制因素。此外,超高压带来的电压击穿和局部放电给绝缘材料带来了更大的挑战。导体、介电体和封装体间的交点是暴露于高电场下的薄弱点,因此需要选用高击穿电场的材料、光滑的电极及电极间隙,这些都需要大量的研究,同时绝缘层介电常数高导致的额外位移电流,处理的复杂性和模块尺寸增大等问题也是挑战。

另外,提高模块的耐温能力,降低模块的热阻等也是尤为重要的,这些都还需要不断的创新。目前的纳米银烧结,双面冷却等技术可能能够解决部分 SiC IGBT 模块的需求,但还不足够。

新的 IGBT 结构

尽管 SiC IGBT 在阻断电压、导热系数和开关速度等方面优于 Si IGBT,但是传统的 IGBT 结构一定程度上限制了 SiC 材料性能的发挥。为了提高 SiC IGBT 的电气性能和可靠性,新型 IGBT 结构在正在不断的发展。

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特性和驱动

SiC 的宽禁带和极高的电压等级使得其 IGBT 性能与 Si 基 IGBT 有着差别,主要就是动静态特性。

静态特性

正向特性是静态特性的重要组成部分,也就是导通特性,可以用正向导通电阻 Ron 来描述。SiC IGBT 的 Ron 一般低于 Si IGBT 和 SiC MOSFET,主要是因为其漂移区厚度小,电导调制更短导致的。另外 p 沟道的 SiC IGBT 的正向特性要比 n 沟道来的差,所以 n 沟道 SiC IGBT 是较优的。

动态特性

想较为直观的了解 IGBT 的动态特性,双脉冲测试可以说是较为有效的手段。与 Si IGBT 类似,SiC IGBT 由于其材料的特性,导致动态参数有所不同。

门极驱动

SiC IGBT 的驱动和 Si 基的在整体上是差不多的,需要考虑到高绝缘性能、低耦合电容、低成本、尺寸、高效率和高可靠性等因素。目前仍延用 Si IGBT 或者 MOSFET 的拓扑结构和控制策略,只是细节可能会有所不同。

目前,第三代宽禁带半导体的热潮已经开始蔓延,不管是 SiC 还是 GaN,都在不断的发展,各种类型的器件也都在不断推出。但 SiC 材料的功率器件,还是 MOSFET 较为常见,也许只有固定的高压,大电流,大功率的应用才会涉及到 SiC IGBT。当然,相信未来 SiC 将会出现在越来越多的传统 Si 基器件。

来源:半导体行业观察

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