01技術回顧

不過最近幾十年來，它已被用作電子材料，最初用于發光二極管（LED），最近又被用于電力電子設備，包括肖特基勢壘二極管（SBD），結型場效應晶體管（JFET）和MOSFET晶體管。由于SiC MOSFET具有取代現有的硅超級結（SJ）晶體管和集成柵雙極晶體管（IGBT）技術的潛力，因此受到了特別的關注。

多年之前碳化硅的半導體器件潛力已為人所知。在1962年Lloyde Wallace獲得了專利（US3254280A），這是一種碳化硅單極晶體管器件。它本質上是一個結型場效應晶體管。圖1顯示了Lloyde 1962年專利的圖。在P型SiC主體中形成N型溝道區域。源極/漏極觸點形成到N型溝道。柵極結構位于源極和漏極之間，并且相應的柵電極位于SiC襯底的底側。目前，UnitedSiC正在生產基于碳化硅的JFET ，盡管它們是為了提高性能而基于垂直設計，其中源極和柵極位于SiC裸片的頂部，而漏極位于背面。 

圖1從US3254280A（碳化硅單極晶體管）

1989年，北卡羅來納州立大學（NCSU）的B. Jayant Baliga首次描述了將SiC用于電力電子設備的好處1。Baliga在通用電氣期間發明了IGB。他現在是NCSU的杰出大學教授。他得出了一個稱為BHFFOM的品質因數，該品質因數表明可以通過使用具有更大遷移率和更高臨界擊穿場的半導體（例如SiC甚至鉆石）來減少功率損耗。在這段時間出現了一系列與碳化硅的電力半導體應用相關的專利。

當時的主要發明者之一是約翰·帕爾默（John Palmour），他于1987年在北卡羅萊納州的三角研究園共同創立了Cree。現在他是電源和射頻技術的首席技術官。Cree一直是SiC功率器件技術的主要驅動力之一。當他還在NCSU時，還是一名研究生，他在1987年申請了一項重要專利，該專利導致了SiC基MOSFET晶體管的發明。

該開創性專利（US4875083A）涉及在SiC襯底上形成MOS電容器結構。

現摘錄1987年此項專利發表的簡介，描述了當時SiC的發展狀況： 

碳化硅一直是半導體器件的候選材料。 長期以來，碳化硅一直被認為具有獨特的特性，這使得它具有比其他常用半導體材料如硅(Si)、砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)形成的半導體器件更優越的特性。 碳化硅具有寬的帶隙、高的熔點、低的介電常數、高的擊穿場強、高的導熱系數和高的飽和電子漂移速度。 這些特性使碳化硅制成的器件有可能在更高的溫度、更近的距離、更高的功率級別以及其他一些由其他半導體材料制成的器件根本無法工作的情況下工作。

盡管具有這些已知的特性，但由碳化硅制成的高質量商用設備尚未問世。 碳化硅是一種非常難處理的材料，它可以在150多種不同的多型中結晶。 因此，在半導體材料上制造電子器件所需的單個多型或特定多型碳化硅薄膜的大型單晶仍然是一個難以實現的目標。

但是，最近，該領域已經取得了許多進展，這首次使在碳化硅上生產商業品質的電子設備成為可能。

然而，最近在這一領域取得了一些進展，使商用優質碳化硅電子器件的生產首次成為可能。”

本專利圖1和圖2展示了所述MOS電容器的結構，如下圖2所示。該電容器是由一個圓形歐姆接觸到摻雜的碳化硅襯底與中心圓形金屬接觸在一層氧化物。由于底層SiC中的載流子損耗，電容隨外加電壓的變化而變化。MOS電容結構是形成MOSFET晶體管的關鍵。 

圖2: 來自US4875083A（在碳化硅上形成的金屬絕緣體-半導體電容器）

奇怪的是，在SiC襯底上，一個描述簡單的平面MOSFET晶體管的裝置專利似乎并不存在。很可能，這個概念在當時會被認為是顯而易見的，不需要申請專利。還有一些專利描述在碳化硅襯底上制造MOSFET晶體管的方法，描述了基本結構簡單MOSFET結構的變化。例如，Yoshihisa Fujii，Akira Suzuki和Katsuki Furukawa 在1990年提交US5170231A，描述了一種具有不對稱源/漏電導率的SiC MOSFET。此后不久，1992年，約翰·帕爾默（John Palmour）申請了開創性專利（US5506421A），描述了垂直溝槽柵極SiC MOSFET的結構。該申請是在1996年批準的，現在已經超過20年了，因此該專利已經過期，所描述的概念現在已經進入公有領域。但是，在此專利之后有許多與SiC MOSFET相關的專利仍然有效。例如，搜索顯示Cree擁有700多項與SiC MOSFET技術相關的有效專利。

US5506421A所示的垂直溝道SiC MOSFET的結構如下圖3所示。該專利聲稱垂直功率MOSFET具有低導通電阻和高溫范圍，形成于碳化硅襯底的C面，類似于N型。在襯底上方形成N-漂移層，然后是P-溝道層。溝槽柵極穿透P-溝道層，并且形成N +源極區。金屬源電極和漏電極分別位于管芯的頂部和底部。這種溝槽架構有時稱為UMOS（U形柵極），以區別于平面DMOS（漂移MOS）設計。

圖3  US5506421A（功率MOSFET在碳化硅）

到了2011年， Cree推出了市場上第一個SiC功率MOSFET，即CMF20120D器件。CMF20120D是垂直N溝道增強型SiC MOSFET。圖4顯示了CMF20120D器件中的平面晶體管柵極的橫截面SEM顯微照片。在此SEM顯微照片中描繪了N +源和P型身體植入物。

圖4 Cree CMF20120D碳化硅平面MOSFET橫截面

自2010年以來，碳化硅功率MOSFET市場顯著擴大，現在每年超過2億美元。隨著SiC在汽車、光伏、鐵路等多個市場取代硅技術，許多新的參與者已經進入市場，有望實現兩位數的復合年增長率。通常，SiC 功率MOSFET的工作電壓為1200或1700 V，旨在取代IGBT技術。最近發布了650 V SiC MOSFET器件，其目標可能是與硅超級結和基于GaN的技術競爭。

看來Cree仍繼續專注于平面SiC MOSFET技術。但是，包括英飛凌和羅姆在內的其他廠商在采用溝槽或UMOS技術。相比之下，意法半導體（STMicroelectronics）也專注于平面SiC MOSFET技術。圖5顯示了在羅姆 SCT3022AL 650 V SiCN溝道MOSFET 上發現的溝槽柵極的橫截面SEM顯微照片。

圖5與US5506421A的權利要求1的比較表明，羅姆 SCT3022AL使用了John Palmour精溝槽SiC MOSFET專利中的許多功能。例如，SEM圖像顯示溝槽，絕緣層和柵電極的存在。 

圖5 Rohm SCT3022AL 650 V SiC MOSFET橫截面

碳化硅是一種顛覆性的技術，隨著在各種關鍵電力電子市場上它正在取代硅基技術的地位，正開始受到市場的關注。。自20世紀80年代中期以來，關鍵發明家所做的創新工作使這成為可能。據預測，到2025年，SiC電力電子市場規模將超過10億美元，并且可能會更早。

02發展狀況

早期的碳化硅

盡管與器件相關的 SiC 材料研究自上世紀 70 年代以來一直在進行，但 SiC 在功率器件中使用的可能是由 Baliga 在 1989 年正式提出的。Baliga 的品質因數為有抱負的材料和器件科學家繼續推進 SiC 晶體發展和器件處理技術提供了額外的動力。在 20 世紀 80 年代末，為提高 SiC 基板和六角碳化硅外延的質量，世界各地的科研院校都付出了巨大的努力，如日本的京都大學和工業技術院、俄羅斯的約飛研究所、歐洲的埃朗根和林雪平大學、美國的紐約大學石溪分校、卡內基梅隆大學、和普渡大學等等。技術改進在 90 年代大部分時間里都在持續，直到 Infineon（英飛凌）于 2001 年以碳化硅肖特基二極管的形式推出了第一款商業化器件。

在他們發布產品之后的幾年里，碳化硅肖特基二極管經歷了源于材料質量和器件架構的現場故障。為提高基板和外延的質量，取得了快速而又巨大的進步；同時，采用了一種可以更有效地分布峰值電場的被稱為“勢壘肖特基結（JBS）”的二極管構架。2006年，JBS 二極管演化為現在被稱為合并的 p-n 肖特基（MPS）結構，這種結構保持了最優的場分布，但也通過合并真正的少數載流子注入實現了增強的緩沖能力。今天，碳化硅二極管是那么的可靠，以至于它們比硅功率二極管顯示出更有利的 FIT 率。

MOSFET替代器件

第一款向市場投放的碳化硅功率晶體管是在 2008 年以 1200 伏結場效應晶體管（JFET）的形式出現的。SemiSouth 實驗室遵循了 JFET 的方法，因為當時，雙極結晶體管（BJT）和 MOSFET 替代器件存在著被認為無法克服的障礙。雖然 BJT 有令人印象深刻的每活躍區域電流的數據，但這種器件有三大缺點：其一，開關 BJT 器件所需的高電流被許多習慣于使用像 MOSFET 或 IGBT 等電壓控制器件的設計者所反對。其二，BJT 的驅動電流是在一個具有巨大內建電勢的基射結上傳導的，從而導致巨大的功率損耗。其三，由于 BJT 的雙極動作，它特別容易受到一種被稱為雙極退化的器件消磨現象的影響。

圖 1：(a) 正極，VGS = +25 V，和 (b) 負極，VGS = -10 V，對從三個不同的晶片批次中抽取的 77 個器件在 175°C 下進行 2300 小時的高溫柵極偏置（HTGB）壓力測試 。觀察到在閾值上可忽略不計的偏差。

另一方面，JFET 的應用由于它是一種常開器件的事實而受到阻礙，這會嚇跑許多電力電子設計師和安規工程師。當然可以圍繞這個方面進行設計，但是簡單性和設計精致是工程世界中被低估的美德。SemiSouth 也有一種常關的 JFET 器件，但事實證明這種器件很難進行批量生產。今天，USCi 公司提供了一種采用共源共柵配置的與低電壓硅 MOSFET 一同封裝的常開 SiCJFET 器件，成為了許多應用的一種精致的解決方案。盡管如此，由于 MOSFET 在控制上與 硅 IGBT 的相似性，但是具有前述的在性能和系統效益方面優勢，MOSFET 一直是碳化硅功率器件的‘圣杯’。

碳化硅 MOSFET 的演變

SiCMOSFET 有它的一些問題，其中大部分與柵氧化層直接相關。1978 年，科羅拉多州立大學的研究人員測量出了純 SiC 和生長的 SiO2之間的一個混亂的過渡區域，這是第一次觀察到的麻煩預兆。這樣的過渡區域被認為具有抑制載流子移動并導致閾值電壓不穩定的高密度的界面狀態和氧化物陷阱；這在后來被大量的研究出版物證明的確如此。20 世紀 80 年代末和 90 年代，SiC 研究領域的許多人對 SiC-SiO2 系統中的各種界面狀態的性質進行了進一步的研究。

20 世紀 90 年代末和 21 世紀初期的研究使得對界面狀態（密度縮寫為 Dit）來源的理解以及減少這些來源并減輕它們的負面影響有了顯著的提高。舉幾個值得注意的發現，研究觀察到濕潤環境中的氧化（即，使用水作為氧化劑而不是干燥的氧氣）將 Dit 降低兩到三個數量級。此外，研究發現使用離軸基板將 Dit 降低至少一個數量級。最后一項也非常重要，一氧化碳中后氧化退火（一種通常成為氮化的方法）的效果在 1997 年首先由 Li 及其同事發現，可以將 Dit 降低到非常低的水平。這一發現隨后又被六七個其他小組確認，Pantelides 的一篇論文很好地對這一系列研究工作進行了總結。當然，如果不去強調單晶生長和晶圓研究界所做的重大貢獻將是非常過份的疏忽，之前我們只有純粹的萊氏片晶，他們為我們帶來了的幾乎沒有設備損傷性微管的 150 毫米晶圓。

由于有希望的供應商正在忙于推進商業化，在接下來的幾年中關于 SiC MOSFET 的研究進展有所減緩。然而，為了進一步提高鉗位電壓穩定性以及過程增強和篩選以確保可靠的柵極氧化物和器件鑒定的完成，為最終的改進已做好了準備。實質上，SiC 研究界離發現圣杯越來越近了。

如今的 MOSFET 質量

在過去的兩年里，市售的 1200V SiC MOSFET 在質量方面走過了很長的一段路。溝道遷移率已經提高到適當的水平；大多數主流工業設計的氧化物壽命達到了可接受的水平；閾值電壓變得越來越穩定。從商業角度來看同樣重要的是，多家供應商已經迎來了這些里程碑，下一節將對其重要性進行論述。在這里，我們將 證實今天的 SiCMOSFET 質量的要求，包括長期可靠性、參數穩定性和器件耐用性。

采用加速的時間依賴性介質擊穿（TDDB）技術，NIST 的研究人員預測出 Monolith Semiconductor 公司的 MOS 技術的氧化物壽命超過 100 年，即使實在高于 200 攝氏度的結溫下也是如此。NIST 的研究工作使用了在氧化物上外加電場（大于 9 MV/cm）和結溫（高達 300 °C）的壽命加速因數；作為參考，在實際應用中的氧化物電場約為 4 MV/cm（相當于 VGS = 20 V），并且工作中的結溫通常低于 175 攝氏度。值得注意的是，雖然在硅 MOS 中常見溫度依賴性的加速因數，但是在使用 Monolith Semiconductor 公司的器件進行研究之前，NIST尚未看到 SiC MOS 有這種情況。然后，閾值電壓穩定性也得到了令人信服的證明，如圖 1 所示。在 175 攝氏度結溫和低于負（VGS = -10 V）和正（VGS = 25 V）柵極電壓的條件下進行了高溫柵偏置測試（HTGB）。根據 JEDEC 標準，對三個不同晶圓批次的 77 只器件進行了測試，并沒有觀察到顯著的變化。

證明長期穩定性的另一個參數集是 MOSFET 的阻斷電壓和斷態漏電。圖 2 顯示的是高溫反向偏置（HTRB）測試數據。在 VDS = 960 V 和 Tj = 175 C 的條件下，超過八十個樣品被施加 1000 小時應力，后應力測量結果顯示漏極漏電和阻斷電壓上沒有變化。關于器件的耐用性，圖 3 和圖 4 所示的初步測量結果顯示出至少 5 微秒的短路耐受時間和 1 焦的雪崩能量。

圖 2：在 VDS = 960 V 和 Tj = 175 °C 的條件下 82 個樣品施加 1000 小時應力后的高溫反向偏置測試數據，表明在 （a）VDS = 1200 V 時的漏極泄漏和（b）ID = 250 μA 時的阻斷電壓無變化。

 

雖然我們無法證明其他制造商產品的長期可靠性或耐用性，但是我們可以說，根據我們對市售的 SiC MOSFET 的評估，如今市場上似乎有多家供應商能夠供應生產水平量的 SiC MOSFET。這些器件似乎具有可接受的可靠性和參數穩定性，這必定會激勵主流的商業應用。

圖 3：在 600V 直流鏈路和 VGS = 20V 的條件下對 1200V、80 mΩSiC MOSFET 進行的短路測試，表明耐受時間至少為 5 μs。

圖 4：對 1200V、80 mΩ SiC MOSFET進行的雪崩耐久性測試，表明 Ipeak = 12.6 A 和 L = 20 mH的器件安全吸收的能量為 1.4 焦。

商業前景

除了質量的改善外，近幾年來，商業化進程取得了巨大的進步。除了創造有利于供應商和用戶的競爭格局之外，有多家 SiC MOSFET 供應商可以滿足對第二供應商的擔憂。如前所述，鑒于器件的漫長演進過程，多家 SiC MOSFET 供應商擁有足夠可靠的器件的事實是一次巨大的進步。經許可轉自 Yole Développement 的《2016 功率 SiC》報告的圖 5，顯示出截至 2016 年 7 月各供應商的 SiC MOSFET 活動。Wolfspeed、ROHM、ST Microelectronics 和 Microsemi 均推出了市售的零部件；業界很快能夠看到來自 Littelfuse 和英飛凌的產品。

多晶片功率模塊也是 SiC 領域客戶和供應商之間的一個熱門話題。圖 6，同樣轉自 Yole’sDéveloppement 2016 年的報告，顯示了 SiC 模塊開發活動的狀態。我們相信，對分離封裝的 SiC MOSFET 仍然存在大量的機會，因為控制和功率電路的最佳布局實踐可以很容易地將分離解決方案的適用性擴展到幾十千瓦。更高的功率水平和簡化系統設計的動機將推動 SiC 模塊的開發工作，但是從封裝、控制電路和周圍的功率組件中優化寄生電感的重要性不能被夸大。

當談到 SiC MOSFET 商業前景時最后一點不可回避的問題是價格。我們關于價格侵蝕的看法是有利的，主要是我們的方法的兩個方面：首先，我們的器件是在一個汽車級的硅 CMOS 工廠中制造的；其次，這種工藝采用的是 150 毫米晶圓。在另一項研究工作中我們更詳細地解釋了這一點，然而，可以簡單地說，利用現有的硅 CMOS 工廠的核心優勢是缺乏資本支出和優化經營費用（這兩者都會被傳遞到最終客戶）。此外，采用 150 毫米晶圓進行制造產出的器件要比 100 毫米晶圓多出兩倍，這大大影響了每個模具的成本。根據在 Digi-Key 公司進行的一項市售 SiC MOSFET 調查，圖 7 中給出了一些關于價格的預示。例如，自從六年前在 Digi-Key 公司的首次公告，TO-247 封裝的 1200V、80 mΩ器件的價格下降了超過百分之八十，即使 SiC MOSFET 仍然比類似的硅 IGBT 貴兩到三倍。在今天的價格水平上，相比較硅 IGBT，設計人員已經看到了使用 SiC MOSFET 所帶來的巨大的系統層面的價格效益，而且我們預計，隨著 150 毫米晶圓的規模經濟形成，SiC MOSFET 的價格將會繼續下降。

圖 5：不同供應商的 SiC MOSFET 開發活動的狀況【13，經許可轉載】。

圖 6：SiC 功率模塊開發活動的狀況【13，經許可轉載】。藍色圓圈表示只有 SiC 器件的模塊，而橙色圓圈表示使用硅晶體管和 SiC 二極管的模塊。

圖 7：在 Digi-Key 公司【www.digikey.com】看到的關于市售 SiC MOSFET 的價格調查。

03SiC產業鏈

SiC產業鏈分為三大環節：上游的SiC晶片和外延→中間的功率器件的制造（包含經典的IC設計→制造→封裝三個小環節）→下游工控、新能源車、光伏風電等應用。

目前上游的晶片基本被美國CREE和II-VI等美國廠商壟斷；國內方面，SiC晶片商山東天岳和天科合達已經能供應2英寸~6英寸的單晶襯底，且營收都達到了一定的規模（今年均會超過2億元RMB）；SiC外延片：廈門瀚天天成與東莞天域可生產2英寸~6英寸SiC外延片。

▼大陸第三代半導體SiC產業鏈分布圖

▼國際及中國臺灣第三代半導體SiC產業鏈分布圖

目前，美、歐、日廠商在全球碳化硅產業中較為領先，其中美國廠商占據主導地位。隨著中美貿易戰的不斷升級，半導體芯片領域成為了中美必爭之地，伴隨著中興、華為事件，國家越來越重視芯片，高端裝備等領域的國產化。此外，SiC材料和器件在軍工國防領域的重要作用，也越來越突出。SiC外延設備在推動產業鏈國產化過程中，意義尤為重大。

| 來源：本文綜合自EETOP，半導體行業觀察等

 
 
 

 
 
 

  
  
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