【導讀】SiC作為半導體功率器件材料,具有許多優(yōu)異的特性。4H-SiC與Si、GaN的物理特性對比見表1。與Si相比,4H-SiC擁有10倍的擊穿電場強度,可實現(xiàn)高耐壓。與另一種寬禁帶半導體GaN相比,物理特性相似,但在p型器件導通控制和熱氧化工藝形成柵極氧化膜方面存在較大差異,4H-SiC在多用途功率MOS晶體管的制備方面具有優(yōu)勢。此外,由于GaN是直接躍遷型半導體,少數(shù)載流子壽命較短,因此通過電導調(diào)制效應(yīng)來實現(xiàn)低導通電阻器件的效果并不理想。
與Si材料相比,SiC半導體材料在物理特性上優(yōu)勢明顯,比如擊穿電場強度高、耐高溫、熱傳導性好等,使其適合于制造高耐壓、低損耗功率器件。本篇章帶你詳細了解SiC材料的物理特性。
SiC作為半導體功率器件材料,具有許多優(yōu)異的特性。4H-SiC與Si、GaN的物理特性對比見表1。與Si相比,4H-SiC擁有10倍的擊穿電場強度,可實現(xiàn)高耐壓。與另一種寬禁帶半導體GaN相比,物理特性相似,但在p型器件導通控制和熱氧化工藝形成柵極氧化膜方面存在較大差異,4H-SiC在多用途功率MOS晶體管的制備方面具有優(yōu)勢。此外,由于GaN是直接躍遷型半導體,少數(shù)載流子壽命較短,因此通過電導調(diào)制效應(yīng)來實現(xiàn)低導通電阻器件的效果并不理想。
表1:SiC和Si、GaN的物理特性對比
比較功率器件不同材料的性能時,通常使用性能指數(shù)BFOM(Baliga’s Figure of merit)。BFOM與理想單極型器件的電阻成反比,可通過以下公式計算。
由于BFOM與擊穿電場強度的三次方成正比,而SiC的數(shù)值是Si的10倍,這有利于實現(xiàn)低電阻單極器件。根據(jù)表中數(shù)值,與Si相比,SiC單極性器件的電阻有可能降低至Si的1/667。此外,電阻與器件擊穿電壓的平方成正比,因此對于高耐壓(額定電壓),單極性器件的電阻會急劇增加。所以,使用Si材料來實現(xiàn)千伏級耐壓的單極性器件并不現(xiàn)實,因為電阻過大,但可以通過使用SiC來實現(xiàn)。SiC器件的主要目標就在中高壓領(lǐng)域,三菱電機率先使用SiC實現(xiàn)了千伏級單極性器件,為包括鐵路牽引系統(tǒng)在內(nèi)的許多電力電子系統(tǒng)帶來了革新。
關(guān)于SiC物理特性的各向異性,在制造器件時需要考慮幾個問題。4H-SiC的擊穿電場強度在(0001)方向(襯底厚度方向)的值比其他方向大。對于體電子遷移率,(0001)方向也比其他方向大。另一方面,比較采用SiC各晶面制造的MOS結(jié)構(gòu)的溝道遷移率,(0001)面的值較小,而垂直于(0001)面的值較大,這意味著,與在(0001)面制造的平面柵MOS相比,溝槽柵MOS的溝道電阻更低。
存在于SiC MOS界面的載流子捕獲,它是SiC MOSFET特性不穩(wěn)定和經(jīng)時變化的原因,目前改善措施正在進行中。三菱電機已開發(fā)出一種可提高穩(wěn)定性的MOS界面形成方法,實現(xiàn)了MOS特性的穩(wěn)定性。
熱氧化膜的生長速度也因晶面的不同而存在很大差異,例如,(000-1)面的氧化速度約為(0001)面的10倍。在器件制造過程中,需考慮到氧化速度的各向異性,并根據(jù)結(jié)構(gòu)對制造工藝做出相應(yīng)的處理。
寬禁帶半導體通常難以實現(xiàn)兩種導電方式,要么p型導電,要么n型導電。盡管SiC是一種寬禁帶半導體,但它是少數(shù)幾種可制造出p型和n型高載流子濃度的材料之一。通常,用于n型半導體導電性控制的摻雜是V族元素的氮、磷,而用于p型半導體導電性控制的摻雜是III族元素的鋁、硼。關(guān)于硼,由于受主能級較深,無法獲得低電阻p型半導體,因此常用在保持器件耐壓的終端區(qū)域。此外,與Si等材料相比,由于SiC的晶體結(jié)構(gòu)較為復雜,摻雜原子取代的位置不同會導致形成的能級不同。在推導載流子遷移率、估算電阻值的溫度依賴性等方面,嚴格來說需要考慮這一點,但在估算器件特性時,使用平均值并沒有問題。
SiC作為功率器件材料的另一個優(yōu)點是其熱導率高(約為Si的3倍)。這一優(yōu)勢得益于SiC原子間距短、鍵合力強,有助于降低器件工作時的最高溫度。此外,即使在高達800℃的溫度下,SiC仍能保持其半導體特性。目前,除SiC外的其他材料,使用溫度的上限受到限制,仍在繼續(xù)開發(fā)中。
另外,在將SiC應(yīng)用于功率芯片時,需考慮SiC材料的特性,其楊氏模量較大(約為Si的3倍),是一種非常硬的材料,因此受溫度循環(huán)等因素產(chǎn)生的應(yīng)力可能會非常大,這可能成為決定器件壽命的主要因素。
關(guān)于三菱電機
三菱電機創(chuàng)立于1921年,是全球知名的綜合性企業(yè)。截止2024年3月31日的財年,集團營收52579億日元(約合美元348億)。作為一家技術(shù)主導型企業(yè),三菱電機擁有多項專利技術(shù),并憑借強大的技術(shù)實力和良好的企業(yè)信譽在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場,三菱電機從事開發(fā)和生產(chǎn)半導體已有68年。其半導體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
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