功率器件是電力電子技術的核心，在電力電子技術朝著高頻、高功率密度發展的方向上扮演著至關重要的角色。目前，硅(silicon，Si)器件的發展已經十分成熟，在 600V 以下的應用，Si 基金氧半場效晶體管 (metal-oxide-semiconductor field effecttransistor，MOSFET)占據主流，而 Si 基超級結器件和絕緣柵雙極型晶體管 (insulator gate bipolartransistor，IGBT)則主導了 0.6~6.5kV 的高壓應用市場。盡管如此，受限于硅材料特性的限制，硅器件的發展空間已經較為有限。例如，目前 Si 基 IGBT耐壓極限為 6.5kV，工作溫度低于 175℃，且由于雙極性導通模式，器件開關速度較低，限制了其在高頻應用中的推廣。

 

近 20 多年來，以碳化硅(silicon carbide，SiC)為代表的寬禁帶半導體器件，受到了廣泛的關注。SiC 材料具有 3 倍于硅材料的禁帶寬度，10 倍于硅材料的臨界擊穿電場強度，3 倍于硅材料的熱導率，因此 SiC 功率器件適合于高頻、高壓、高溫等應用場合，且有助于電力電子系統的效率和功率密度的提升。

 

自2001 年Infineon推出第一款商業SiC 二極管以來，SiC 器件的研究已經得到了極大的發展，國內外都有不少研究成果。SiC 結型場效應晶體管(junction field effect transistor，JFET)器件、MOSFET器件的研發也逐步從科研機構向企業轉移。JFET器件及 MOSFET 器件為單極型器件，其開關速度高，主要適用于 0.6~10kV 的范圍，BJT、IGBT、門極可斷晶閘管(gate turn-off thyristor，GTO)器件為雙極型器件，適用于 4.5~10kV 以上的高壓范圍。2008 年 Semisouth 發布了第一款常關型的 SiC JFET器件，TranSiC 發布了 SiC BJT。Infineon 也在 2012年發布了第一款 SiC 開關器件產品 JFET 器件。隨著工藝技術的發展和柵氧界面處理技術的成熟，2010 年 Cree 和 Rohm 推出了平面柵 MOSFET 產品，2015 年 Rohm 繼續優化推出了溝槽柵MOSFETInfineon 也于 2017 年發布了溝槽柵MOSFET。

 

本文對近年的研究成果進行分類梳理，并進行對比分析。主要分為 SiC 二極管、SiC JFET、SiCMOSFET、SiC IGBT、SiC GTO 器件，并分析各器件在實際應用中的優勢和不足。最后，本文還對現有器件技術進行總結，并對未來的發展方向進行展望。

 

SiC 功率二極管有 3 種類型：PiN 二極管、肖特基二極管(Schottky barrier diode，SBD)和結勢壘肖特基二極管(junction barrier Schottky diode，JBS)，3 種類型的二極管結構如圖 1 所示。JBS 二極管結合了肖特基二極管在正向導通情況下單極型導電的優點及 PiN 結二極管反向漏電流較低的優點，在4.5kV 阻斷電壓以下通常采用此結構。2001 年第一款商業化 SiC JBS 二極管進入市場，目前國外廠商Cree、ST 及 Infineon 公司都已推出了 0.6~1.7kV 的SiC JBS 二極管產品，最大電流為 50A，Rohm 采用推出了 0.6~1.2kV 的 SBD 二極管產品，最大電流為40A。

 

 

隨著器件耐壓的進一步提高(4.5~10kV 以上)，漂移區的電阻增加，限制了單極型器件性能的進一步提高，因此相比于肖特基二極管 PiN 結二極管在高壓場合更具優勢。京都大學于 2012 年完成了26.9kV SiC PiN 二極管的研制，其比導通電阻低至9.7mΩ.cm2。GeneSiC 公司推出了 8kV/2A 以及15kV/1A 的 PiN 二極管產品，但是其電流能力遠低于直流輸電等高壓應用場合的需求。大電流能力就需要大面積的器件，但是 SiC 厚外延生長工藝會引入的額外的缺陷密度會導致 PiN 二極管的良率較低限制大面積芯片的商業化。2005 年 Cree 研制了10kV/50A 的 SiC PiN 二極管，但良率僅有 23%。此外 SiC 材料中少子壽命較短，雙極型電導調制效應不顯著，使得 PiN 二極管的器件的導通電阻較大，因而開發成熟的提高少數載流子壽命的工藝成為研發高壓大電流 PiN 二極管器件的另一個關鍵點。表 1 總結了現有 SiC 二極管的電壓等級和器件性能。

 

目前 SiC 二極管已大量運用于商業化的電能轉換裝置中。在高壓大容量裝置在啟動的過程中，存在大電流沖擊過程，該應用對二極管的抗浪涌沖擊能力提出了挑戰。混合 PN 結肖特基二極管(mergedPiN Schottky diode)是在 JBS 二極管的基礎上提出的優化結構，通過加入大面積 P 區以及 P 型歐姆接觸的設計，可以將浪涌電流能力提高 2~4 倍。通過設計以及工藝上的改進，各廠家二極管的浪涌能力普遍達到額定電流的 10 倍以上。而 Infineon通過元胞優化，其浪涌電流密度達到了 5600A/cm2的水平，為額定電流的 18 倍。Cree 和 Infineon 公司的 1.2kV 二極管產品的抗浪涌電流能力的數據如圖 2 所示。

 

近幾年來，國內 SiC 二極管產業也日益成熟，2014年起逐漸打破了國外對SiC二極管技術的商業壟斷，泰科天潤公司目前實現了 0.6~1.7kV 不同系列的 SiC 二極管產品的商業化。株洲中車時代電氣公司發布了 0.65~5kV 不同電壓等級的 SiC 二極管產品。中國電子科技集團公司五十五所建立了4~6 英寸 SiC 二極管產線，開發了 0.6~6.5kV 系列產品，單芯片導通電流最大達到 50A，同時實現了 10kV SiC JBS 二極管的研制；基本半導體公司已推出 0.65~1.7kV 不同系列的 SiC 二極管產品，電流最大可到 40A。各科研院所中，西安電子科技大學研制出了 1.2kV SiC JBS 二極管；浙江大學團隊研發了 6.5kV SiC JBS 二極管、1.2kV 溝槽型JBS 二極管和 MPS 二極管，對于 MPS 二極管，通過離子注入工藝和結構設計的改進，將二極管的浪涌電流提高到額定電流的 33~35 倍，超出Infineon 第五代二極管產品的 10 倍以上。在 PiN 二極管器件方面，基本半導體推出了 10kV/2A 的器件產品，填補了國內商業 PiN 二極管產品的空白。國內 3.3kV 以下電壓等級的器件與國外的器件差距逐漸減小，高壓器件因受限于材料的發展水平相對比較落后。

 

SiC JFET 器件利用柵極 PN 結耗盡層實現開關控制，同時正常狀態下單極性導電，器件擁有良好的高頻特性。其一種形式的器件結構如圖 3(a)所示，其閾值電壓通過頂部 SiC 寬度以及兩側注入的 P 區決定。2008 年美國 SemiSouth 公司發布了第一款常閉型 JFET 之后，同年羅格斯大學報道了擊穿為1.65kV、比導通電阻為 1.88mΩ.cm 2 的常通型 SiCTI-JFET 器件，2009 年 Sheridan 研制了 1.9kV 的常閉型 SiC JFET 器件，比導通電阻為 2.8mΩ.cm 2。國內研究 SiC JFET 器件的公司以及研究機構較少。中國電子科技集團公司五十五所利用自主生產的SiC 外延材料，研制出 1.2~4.5kV 常關型 SiC JFET，最大單芯片電流容量達 25A。浙江大學研制出4.5kV SiC JFET 器件，正向電流達到 2.8A。

 

 

相比 MOSFET 器件來說，SiC JFET 利用 PN結控制柵極，為避免柵極 PN 結開通，柵極偏置一般不超過 2.6V。而常閉型 SiC JFET 器件的閾值電壓一般在 0.7~1V，導致了兩個使用和驅動方面的問題。其一是閾值電壓較低，零偏關斷的動態過程中容易引發誤開通，其二是 2.6V 的驅動上限嚴重限制了器件柵極的過驅動電壓，因此限制了其性能的發揮。而常通型 SiC JFET 在器件阻斷時則需要施加較大的負向偏置使得溝道區域完全夾斷。因此這2 種 SiC JFET 器件都無法與現有的器件(MOSFET\IGBT)的驅動電路兼容，增加了 SiC JFET 器件的使用難度。Semisouth 公司是第一家發布 SiC JFET 器件產品，但在 2013 年，因為驅動電路與硅基 IGBT器件的不兼容以及 SiC 器件市場還未打開等原因導致該公司倒閉。USCi 公司為了解決驅動不兼容的問題提出了源級級聯 JFET 技術，如圖 3(b)所示，器件結構使用了低壓硅基 MOSFET 和 SiC JFET 級聯的辦法，使得器件的驅動可以與 Si 基 MOSFET\IGBT 器件兼容。至今 USCi 公司基于該級聯 JFET技術推出了 650V/≤85A 及 1.2kV//≤ 63A 等不同容量的器件產品。該級聯技術仍存在一些問題，包括門極驅動電路對于開關速度的控制能力降低，電路設計者無法通過改變驅動來控制開關快慢；多芯片封裝帶來的成本和復雜性問題、兩個器件之間動態性能匹配可能帶來的可靠性問題及動態開關過程中引線電感帶來的損耗和可靠性問題等。

 

 

SiC MOSFET 是一種具有絕緣柵結構的單極性器件，關斷過程不存在拖尾電流，降低了開關損耗，進而減小散熱器體積；并且其開關速度快，開關頻率高，有利于減小變換器中電感和電容的體積，提高裝置的功率密度，有效降低裝置的系統成本。然而器件因為在柵氧界面會引入碳團簇，引起柵氧界面態密度較高，導致溝道電阻大。針對柵氧界面，國際上眾多團隊在二十多年的時間中進行了大量實驗，2000 年 Chung 等人報道了通過一氧化氮(NO)退火的方式將溝道遷移率提高至接近 20cm2 /Vs 的方案，柵氧可靠性也因為界面態的鈍化工藝而得到了提升。隨著柵氧工藝的日益成熟，2010 年起各公司相繼推出 SiC MOSFET 產品。Cree 公司采用雙注入 MOSFET(double implantation MOSFET，DMOSFET)的技術路線，結構如圖 4(a)所示，該公司自 2010 年起發布商業化 SiC MOSFET。器件通過改進元胞尺寸以及改善 SiC/SiO2(二氧化硅)界面特性的手段，元胞尺寸從發布的第一代產品的10μm 降低至第三代產品的 6μm，比導通電阻也從發布的第一代產品的 12mΩ.cm 2 降至第三代產品的3.78mΩ.cm 2。2015 年 Cree 公司提出中心注入MOSFET(central implant MOSFET，CIMOSFET)結構如圖 5(a)所示，通過在柵極下方 JFET 區域注入 P 型摻雜，減小了 JFET 區域的同時，也減小了柵氧區域的電場，其 1.2kV 器件室溫比導通電阻為2.7mΩ.cm2，150℃時的比導通電阻為 3.9mΩ.cm 2。

 

 

由于 DMOSFET 結構的溝道形成于(0001)晶面上，溝道遷移率較低，同時 DMOSFET 結構還存在JFET 區域，導致器件的導通電阻很難得到進一步降低。溝槽型 MOSFET(trench MOSFET，TMOSFET)結構通過在溝槽側壁形成溝道，不僅可以提高溝道遷移率，還能消除 JFET 區域，實現降低器件導通電阻的目的。并且由于碳化硅材料本身的特性，溝槽側壁方向上的遷移率高于 DMOSFET 器件水平方向的遷移率，使溝槽型 MOSFET 器件的溝道電阻低于 DMOSFET。

 

 

TMOSFET 器件結構如圖 4(b)所示，其正向導通電阻更小，目前業界研究熱點已逐步轉向TMOSFET。然而 TMOSFET 器件的溝槽角落的柵氧需要承受較大的電場強度，對器件可靠性帶來隱患，如何降低了溝槽底部氧化層電場強度成為研究團隊和企業研究的焦點。2012 年，日本 Rohm 公司提出了使用雙溝槽結構，采用 P 型基區采用深槽刻蝕和離子注入的方法形成深 P+區，用以保護柵極氧化層的電場，如圖 5(b)所示。該器件耐壓達1.26kV，比導通電阻達到 1.41mΩ.cm 2。同年，日本高技術研究院(AIST)的 Okumura 在 Rohm 公司提出的雙溝槽的結構的基礎上，柵極溝槽底部注入P+區域。注入的 P 區降低了氧化層的電場，其擊穿電壓達到 3.3kV，比導通電阻達到 7mΩ.cm 2。2016年，日本 AIST 研究所開發高能注入工藝，在器件源區進行高能離子注入，加強 P 阱區域對于溝槽底部保護，制備得到的器件擊穿電壓達到 3.8kV，比導通電阻僅為 9.4mΩ.cm 2。2017 年，Infineon 發布了 SiC MOSFET 產品 CoolSiC™，結構如圖 5(c)所示[6]。該結構以犧牲一半溝道寬度的條件下，通過深注入 P+區域更好的保護柵氧，使其不受到高電場的影響提高了器件的可靠性。

 

2018 年瀚薪公司將肖特基二極管集成到MOSFET 結構中代替原有 PiN 體二極管，提高了器件體二極管導通能力，并且避免了少子復合而造成的產生基平面缺陷的風險[36]。隨著技術的成熟，國外產業界已逐步推出大電流的 MOSFET 器件，Rohm公司發布650V/≤118A，1.2kV/≤95A的器件。Cree 公司推出了最大電流分別為 900V/≤ 196A，1.2kV/≤ 149A，1.7kV/≤ 72A 的器件。3.3kV 及以上電壓等級的器件暫時還未推出成熟的產品，仍然在進行研發工作。ABB 公司完成了 3.3kV/100A 的SiC MOSFET 器件的研制。Cree 公司推出了3.3kV/45A 的，并逐步推向市場，Mitsubishi 報道了 6.5kV/45A 的 SiC MOSFET 器件。3.3~6.5kV的器件主要針對風力發電以及高鐵的應用場合，然而器件的容量只能滿足風力發電的需求，但對高鐵的容量需求仍有差距。而在高壓 MOSFET 方面 Cree公司技術較為領先相繼推出了 15kV/8A、10kV/10A以及 10kV/20A 的器件，但電流等級較實際應用環境如直流輸電等仍有較大的差距。究其原因主要在于：1）高耐壓器件由于外延較厚，在生長工藝中更易引入缺陷；2）MOSFET 器件柵氧部位對缺陷較為敏感可靠性存在問題。表 2 是近期 SiC JFET和 MOSFET 器件特性的總結。在 MOSFET 器件中DMOSFET 能避免溝槽角落電場聚集的問題，因而適合高壓的環境，而 TMOSFET 減小了 JFET 區域的電阻且溝道電阻也能適當減小，更適合低壓的環境。JFET 器件導通特性優于 MOSFET，但存在難以控制的問題。

 

國內 SiC MOSFET 起步較晚，中國電子科技集團公司五十五所建立了國內領先水平的高壓大電流 SiC MOSFET 器件研發平臺，實現了 1.2kV/50A、1.7kV/50A、3.3kV/30A、6.5kV/25A 等器件的研制，其中 1.2kV/50A 的器件比導通電阻降低至6.4mΩ.cm2，1.7kV/50A 的器件比導通電阻達到19.7mΩ.cm2，株洲中車時代電氣公司完成了600V/5A、1.2kV/20A 和 1.7kV/5A 等器件的研制。基本半導體公司發布了 1.2kV/100A 的 SiC MOSFET器件。另外，中國科學院微電子所成功研制1.2kV SiC MOSFET 器件；浙江大學成功研制 1.2kVSiC MOSFET 器件，元胞尺寸為 14μm，比導通電阻為 8mΩ.cm2。

 

總體上，國際上多家企業已經實現 SiCMOSFET 器件的商業化，并已逐步推出溝槽型 SiCMOSFET 器件。而國內的 SiC MOSFET 器件基本采用平面柵 MOSFET 結構，研發進度相對落后，工藝技術的不成熟與器件可靠性是國內 SiC MOSFET器件的主要問題。

 

 

在高壓器件中為了達到更高的開關速度，一般采用絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。IGBT 器件與 MOSFET 器件相比需要將 MOSFET 結構中的 N 型襯底用 P 型代替，正面有源區結構和工藝和 MOSFET 器件相類似，如圖 6所示。2014 年 AIST 最先制作注入增強型n-IGBT，其電流達到 20A，阻斷電壓達到 16kV。

 

 

柵極偏壓為 30V 的情況下，20A 時正向壓降為6.35V，比導通電阻為 14mΩ.cm2。2015 年 Cree公司制作了 27.5kV 的 IGBT，器件通過熱氧工藝預處理 SiC 外延片，將外延的壽命從 2μs 提高到 10μs，降低了漂移區電阻，提高了器件導通能力。柵極偏壓為 20V 的情況下，20A 時正向壓降為 11.7V，同時器件為正溫度系數，便于器件的并聯。2017年倫斯特理工學院報道了雙向的 IGBT 器件。器件通過在背部制作柵氧及溝道結構，使得器件變成了兩個 IGBT 器件反向并聯的狀態，50A/cm2 時正向壓降為 9.7V，并且耐壓達到 7.2kV。上述三個器件的特性總結在表 3 中，可以發現如今 SiC-IGBT器件最大電流在 32A，還是不能滿足高壓直流輸電電流等級高于 100A 的需求。

 

 

在高壓器件中 IGBT 擁有較好開關速度，但是由于柵氧結構的存在，在制作大電流器件時不可避免地存在良率低，可靠性差的情況。柵極可關斷晶體管(gate turn-off thyristor，GTO)可以避免這個問題。GTO 器件由于可以從陽極和陰極兩側同時注入少子，因此可以得到更高的電流密度，結構如圖 7所示。2012 年 Cree 公司研制 GTO 其耐壓達到22.1kV。2015 年北卡州立大學研制出首個正反向阻斷耐壓對稱且都達到 4kV 的 GTO 器件。

 

 

表 3 是 SiC GTO 和 IGBT 器件特性的總結，因為不存在柵氧結構，GTO 器件已實現的通流能力大于 IGBT 器件，但仍低于直流輸電等場合的容量需求。SiC IGBT 和 GTO 器件兩者都處于研發的階段，離成熟的技術、穩定的工藝、可靠的性能以及產業化還存在較大的差距。

 

 

 

前文論述了各類器件的特性和發展歷史，圖 8展示了目前已報道的 SiC 各類型器件的阻斷電壓和比導通電阻的分布情況。在實際碳化硅的應用場合如圖 9 所示：光伏逆變模塊主要使用 0.6~1.2kV，電流等級在 20A 以上的器件；電動汽車模塊主要使用 0.6~1.2kV，電流等級在 20~50A 的器件；風力發電主要使用 1.2~3.3kV，電流等級高于 20A 的器件；高鐵應用場合中則需要 3.3~6.5kV，電流不低于100A 的器件；直流輸電的應用場合中需要大于6.5kV 電壓等級且導通電流大于 100A 的器件。具體各類器件的優勢和不足在表 4 中列出。

 

現階段在SiC 二極管器件中，0.65~1.7kV 的 JBS 器件較為成熟，能提供超過 100A 電流的單管芯片，滿足光伏逆變、電動汽車以及風力發電場合的應用。在高壓大電流器件方面，由于材料和工藝的原因，PiN 二極管器件仍然距離市場化較遠，需通過生長缺陷密度更低的碳化硅外延材料以及開發成熟的增強壽命的工藝以滿足實際應用場合大電流的需求。在開關器件中，JFET 器件較為特殊，一般使用 USCi 公司的級聯結構，其特性與 MOSFET 相類似，但驅動對開關速度等參數的控制能力削弱。MOSFET 器件中 0.65~1.7kV 電壓等級的器件也逐步推向市場，逐步在光伏逆變、風力發電中應用，其柵氧工藝也在逐步完善。國外廠家的 MOSFET 器件都已陸續通過可靠性檢驗，并使用在電動汽車等應用上。但是在高鐵等大功率，高可靠性的應用場景，器件還存在提升空間。而直流輸電等超高壓大電流的工作狀態需要 IGBT 器件和 GTO 器件，GTO 器件能避免柵極氧化層帶來的可靠性問題而更被看好，而如何降低器件材料的缺陷，增加器件的電流能力則是兩類器件都亟待解決的問題。

 

 

 

SiC 二極管以及 SiC MOSFET 已逐步走向市場，出現較為成熟的產品。SiC 二極管因為不存在反向恢復電荷的優點，已逐步替代硅基二極管得到廣泛的應用。SiC MOSFET 也逐步用于光伏逆變器、充電樁等實際應用場合，然而 MOSFET 器件柵氧的質量以及較高的成本仍然是限制其得到普遍應用的瓶頸。在未來 5 年內國內外的研究內容將集中在 SiC 襯底和外延質量的提升、柵氧工藝的優化和器件可靠性的提高、高壓大容量 SiC 器件的研發以及超級結等新型器件結構等方面。

 

 

SiC 材料現有外延生長工藝中會引入晶體的非理想狀態，包括擴展缺陷以及點缺陷。大部分的擴展缺陷是由從襯底材料中復制而來，也有少部分在外延生長工藝中引入。而點缺陷主要由外延生長工藝引入。擴展缺陷主要包括微管(micropipe)、基平面位錯(basal plane dislocation)、螺旋位錯(threading screw dislocation)、刃位錯(threading edge dislocation)及堆垛層錯(stacking fault)。微管是最為致命的缺陷，會引起阻斷電壓大幅度下降以及漏電流的大幅度升高，如今外延廠商基本已將缺陷密度的控制在0.1cm-2 以下，技術較為領先的 Cree 等公司已經能生產零微管的碳化硅 4 寸晶圓。基平面位錯會顯著的影響少子壽命，增加導通電阻，并且由于少子復合的能量釋放逐步擴展為堆垛層錯，影響器件耐壓，同時受該缺陷影響的面積也會增大。目前基平面位錯密度基本控制在 200cm-2 左右。而螺旋位錯、刃位錯截至目前發現對器件影響較小，只發現局部減小雙極型器件的載流子壽命的現象，目前該類缺陷密度分別在 200~500cm-2 以及 300~1000cm-2左右。而其他的一些如三角形缺陷、胡蘿卜缺陷以及顆粒引入的缺陷(down-fall)會引入堆垛造成漏電流的增大以及阻斷電壓的降低，但此類缺陷密度較低在 0.1cm-2 左右。如今 SiC 材料對缺陷的研究仍然處于起步階段，一方面缺陷影響器件性能的機理尚需研究；另一方面從根本上解決缺陷形成主要有

 

兩種方案，一是在生長襯底過程中避免上述缺陷形成，二是通過調整外延的工藝，避免外延工藝受到底部襯底的干擾。兩種方案都處于研究的起步階段，還需經歷大量的工藝實驗和測試驗證。

 

 

MOSFET 器件柵氧的質量成為限制其應用的瓶頸。高溫狀態下，柵氧界面態會俘獲/釋放載流子，影響器件穩定性和可靠性，而評價柵氧是否能長期可靠地工作，最好的方式就是在高溫環境下采用TDDB(time dependent dielectric breakdown)測試器件的壽命。1999 年 CREE 公司 Lipkin 以及 Palmour測試柵氧結構發現，在環境溫度為 350℃并且施加6MV/cm 電場的情況下，柵氧的壽命只有 1000s。

 

2008 年，利用 NO/NO2 退火處理氧化層的方式，羅格斯大學通過 TDDB 測試發現在 375℃以及6.4MV/cm 的條件下 63%器件失效的平均時間為215h。實驗數據證明柵氧可靠性得到了很大的提高。2006 年，Krishnaswami 通過 175℃環境下的TDDB 測試 2kV SiC DMOSFET，推測出在 3MV/cm的電場下壽命達到 100 年。2010 年羅格斯大學發現在高場強下氧化層擊穿的模式與普通一般器件正常工作柵氧電場在3MV/cm情況下的擊穿模式不一致，因而采用較低場強，較長時間的 TDDB 測試，器件通過在 300℃加 6MV/cm 方式發現器件壽命達到了 183 天，并且外推出器件在 300℃時，在 4.3MV/cm 的電場強度下，壽命可達 100 年。2016 年中科院微電子所提出采用氮氫混合氣氛對柵氧進行處理得到的氧化層擊穿電荷增加至 0.078C/cm2。目前 SiC MOSFET 器件柵氧工藝的水平仍然沒有達到 Si MOSFET 器件柵氧工藝的成熟度，阻礙了SiC MOSFET 器件的性能的進一步提升和可靠性的提高，未來還需更多研究工作，探明柵氧界面態的形成機理和抑制方法，從而提高 SiC MOSFET 器件的性能與可靠性。

 

 

現在的商業 SiC 管主要集中在 0.9~3.3kV，并出現部分 6.5kV 的產品。然而 10kV 及以上的器件仍然處在研究和技術儲備階段。主要難點在于：

 

1）襯底的質量不夠理想，襯底的缺陷密度水平很大程度上決定了厚外延層的質量，目前襯底的缺陷密度仍然有待進一步降低；2）厚外延生長仍然是挑戰，外延生長過程中會引入新的缺陷，外延工藝仍需要進一步優化降低新引入的缺陷密度，同時也需要尋找新技術降低襯底缺陷對外延質量的影響；3）高耐壓器件終端設計較為復雜，使用場限環效率較低消耗的面積大，因而需要采用結終端擴展以及斜角等新型終端設計，減小面積，使得器件性能得到提升。

 

 

在硅器件中由于超級結器件結構的提出，使得器件性能突破了一維的單極型理論極限，性能優異。SiC 超級結器件也與硅超級結器件一樣具備優異的特性。制作 SiC 超級結器件主要有以下幾種方式：1）溝槽型超級結器件，此結構最早由浙江大學提出并制作肖特基二極管，阻斷電壓達到1.35kV，比導通電阻為 0.92mΩ.cm 2(去掉襯底電阻為 0.36mΩ.cm 2)。該工藝難點在溝槽刻蝕形貌，以及溝槽的回填。2）溝槽回填型超級結器件，此工藝方式由日本先進科技產業研究院提出并制作[74]，該方式對溝槽刻蝕工藝以及外延回填工藝有較高的要求。該工藝制作的 MOSFET 器件阻斷電壓達到 7.8kV，比導通電阻僅為 17.8mΩ.cm 2。3）多次注入–外延形成的超級結器件，此工藝方式較為復雜，但避免了在高深寬比溝槽中的外延工藝，只需在水平表面生長外延。研制的 MOSFET 器件性能達到 1.62kV，比導通電阻僅為 2.7mΩ.cm 2。總體來看，現有 3 種制作超級結器件的工藝，只有浙江大學的工藝方式不依賴于外延生長工藝，但該方式會犧牲部分器件性能。而日本研究組提出的兩種方式對外延生長工藝要求較高，制作的器件性能也更優異。針對 SiC 超級結器件的研究目前還在起步階段，如何系統揭示 SiC 超級結器件和浮空結器件中漂移區和終端區域空間電荷分布方式對其電場分布的影響機理和優化方法還未探明；如何獲得具有理想形貌的高深寬比高密度 SiC 溝槽還需嘗試；以及如何探明在超級結器件深溝槽區域和浮空結器件離子注入區域外延再生長過程中的晶體生長動力學機理和缺陷形成機制還需要進行研究。

 

3 結論

 

本文就 SiC 器件結構發展歷史入手，介紹了產業界器件發展歷史，并就 SiC 各類器件的特點進行總結，對各類器件結構和工藝的優化進行報道。通過上述器件類型的對比，在 5~10kV 以下 JFET 和TMOSFET 的靜態性能較為優異，但 JFET 驅動較為復雜，而 TMOSFET 為較新的技術，其技術成熟度相對較低。另一方面，DMOSFET 靜態性能相對較劣，但其技術成熟度較高。在 5~10kV 以上主要使用 IGBT 和 GTO 器件，IGBT 器件開關速度較快，驅動較為方便。GTO 器件驅動相對復雜，但是電流承載及過流能力強。當前，SiC IGBT 和 GTO 器件技術離產業化和大規模使用都還有較大差距，存在較好的潛力和研究價值。針對碳化硅材料的缺陷研究還在起步階段，如何抑制缺陷對器件尤其是高壓大電流器件生產的良率起到至關重要的作用。除此之外，碳化硅超級結器件技術有望突破一維單極性器件的性能極限，但是該技術仍處于起步階段，未來還需投入更多的研究。

 

可以看見，碳化硅器件的發展已經為電力電子技術打開了一扇更廣闊的大門，碳化硅器件技術的逐步發展將助力于電力電子技術朝著高頻、高效、高功率密度的方向前進。

 

來源：中國電機工程學報第40卷 第6期  

 

作者：盛況、任娜、徐弘毅  (浙江大學電氣工程學院)