一文看明白眾說紛紜的SiC（文末報名在線研討會）

一文看明白眾說紛紜的SiC（文末報名在線研討會）

第一代半導體材料一般是指硅（Si）元素和鍺（Ge）元素，其奠定了20 世紀電子工業(yè)的基礎。第二代半導體材料主要指化合物半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、磷化鎵（GaP）、砷化銦（InAs）、砷化鋁（AlAs）及其合金化合物等，其奠定了20 世紀信息光電產(chǎn)業(yè)的基礎。第三代寬禁帶半導體材料一般是指氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、金剛石等材料，其具有禁帶寬度大、抗輻射能力強、擊穿電場強度好、耐高溫等特點，可以克服傳統(tǒng)半導體的劣勢，能夠使設備在極端惡劣的條件下正常工作。因此，寬禁帶半導體的材料可以在微電子領域發(fā)揮重要的作用，具有廣闊的應用市場。

禁帶寬度是半導體的一個重要特性參數(shù)，根據(jù)半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)不同，可將半導體材料分成兩種類型：寬禁帶和窄禁帶。若半導體材料的帶隙寬度小于2.3eV，則稱為窄帶隙半導體，代表性材料有GaAs、Si、Ge 和InP ；若半導體材料的帶隙寬度大于或等于2.3eV，則稱為寬帶隙半導體，代表性材料有GaN、SiC、AlN 和氮化鋁鎵（AlGaN）等。半導體材料的禁帶寬度越大，意味著其電子躍遷到導帶所需的能量越大，從而材料能承受的溫度和電壓越高，即越不容易成為導體。

寬禁帶半導體材料非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件，其具有良好的抗輻射能力及化學穩(wěn)定性、較高的飽和電子漂移速度及導熱率、優(yōu)異的電性能等特點。近年來，迅速發(fā)展起來的以GaN、SiC 為代表的寬禁帶半導體材料是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導體照明、新一代移動通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域具有廣闊的應用前景，可望成為支撐信息、能源、交通、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點新材料，進行寬禁帶半導體材料的相關技術研發(fā)正在成為全球半導體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略高地。SiC 與GaN 是第三代寬禁帶半導體材料中發(fā)展比較成熟的材料，本文主要研究這兩類材料。

汽車日漸走向智能化、聯(lián)網(wǎng)化與電動化的趨勢，加上5G已商用，這些將帶動第三代半導體材料碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)的發(fā)展。根據(jù)拓墣產(chǎn)業(yè)研究院估計，2018年全球SiC基板產(chǎn)值將達1.8億美元，而GaN基板產(chǎn)值僅約3百萬美元。

第三代半導體具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，因此也被業(yè)內(nèi)譽為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動機”。發(fā)展較好的寬禁帶半導體主要是SiC和GaN，其中SiC的發(fā)展更早一些。 

01

SiC材料及其制備工藝

 SiC 具有獨特的物理和電學特性，其可以通過熱氧化工藝制備出SiO2，同時在氧化過程中使C 元素以氣體的形式釋放，制備出高質(zhì)量的SiO2，進而可利用SiC 制作性能優(yōu)良的金屬– 氧化物– 半導體（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）晶體管。

（一）SiC 材料結(jié)構(gòu)及特性 

SiC 為Ⅳ主族中Si 元素和C 元素組成的化合物，C 原子和Si 原子以共價鍵的形式連接。SiC 的基本結(jié)構(gòu)單元是硅碳四面體，其相互連接形成各種緊密堆積的結(jié)構(gòu)。Si—C 雙原子層的堆積順序不同，導致SiC具有多種晶體結(jié)構(gòu)。其中，SiC 的同態(tài)多晶型主要有閃鋅礦（Zincblende）結(jié)構(gòu)、纖鋅礦（Wurtzite）結(jié)構(gòu)和菱形（Diamond）結(jié)構(gòu)。SiC 的纖鋅礦結(jié)構(gòu)為α-SiC，SiC 的立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)為β-SiC，根據(jù)晶體堆疊的不同呈現(xiàn)出多型結(jié)構(gòu)，其中β-SiC（3C-SiC）和α-SiC（2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC）比較具有代表性，對于不同的晶體結(jié)構(gòu)，其禁帶寬度也有所差異，如圖1 所示。

圖1 SiC材料的常見多型結(jié)構(gòu)

（a）SiC材料的晶體結(jié)構(gòu)；（b）對應的禁帶寬度

在SiC 的各種晶體類型中，3C-SiC 鍵能最低，晶格自由能最高且易成核，但其處于亞穩(wěn)態(tài)，具有較低的穩(wěn)定性及易發(fā)生固相轉(zhuǎn)移的特點。在接近平衡態(tài)的條件下，當退火溫度分別為1200℃和2000℃時，3C-SiC 會發(fā)生相變，部分轉(zhuǎn)變?yōu)?H-SiC 和4H-SiC，其中3 種晶型的鍵能大小順序為3C-SiC<6H-SiC< 4H-SiC，鍵能越小越不穩(wěn)定，在外界條件影響下越容易發(fā)生相變。所以，通過改變外界條件，3C-SiC 可以發(fā)生相轉(zhuǎn)變，變成其他晶型。目前，應用較多的是4H-SiC 材料，其禁帶寬度為3.2eV，是Si 禁帶寬度的3 倍左右，且熱導率高，故多用于高溫大功率的微電子器件領域。

（二）SiC 晶體的制備 

圖2（a）為SiC 相圖，可以看出，在大氣氛圍中SiC 在2830℃下會分解為C 和含C 量為13% 的Si 熔液，因此無法從Si-C熔融體中進行晶體生長。在過去的30 年中，工業(yè)界已研發(fā)出采用升華的方式制備SiC 襯底的技術，使SiC 材料在低壓惰性環(huán)境中升華，Si、SiC2、Si2C 等分子沿溫度梯度遷移，并按照設計取向在單晶SiC 種子層上沉積而重新結(jié)晶成SiC 晶體，如圖2（b）所示。采用新的物理氣相傳輸（PVT）技術能夠?qū)⒕w制備溫度控制在1900~2400℃范圍內(nèi)。 

圖2 SiC的相圖（a）和制備SiC的物理氣相傳輸（PVT）技術（b）

SiC 存在各種多型體（結(jié)晶多系），它們的物性值也各不相同。SiC 晶體中存在多種缺陷，這些缺陷會降低其自身的質(zhì)量。常見的晶體缺陷類型有微管、位錯、層錯、夾雜、多型共生等，如圖3 所示。晶體缺陷給SiC 器件的應用造成了很大的阻礙。在這些缺陷當中，微管缺陷帶來的后果最嚴重，SiC 器件的工作區(qū)域中任一微管缺陷都可能會導致器件的失效。 

圖3 常見的SiC晶體缺陷類型

雖然一些電子元器件能夠在不使用外延層的情況下直接在襯底材料上制備，但高品質(zhì)的SiC 器件仍然需要利用高品質(zhì)的外延材料制備有源區(qū)。因此，低缺陷的SiC 外延生長技術對SiC器件質(zhì)量有著重要的影響。隨著SiC 功率器件制造要求和耐壓等級的不斷提高，其外延材料不斷向低缺陷、厚外延方向發(fā)展。目前，批量生產(chǎn)SiC 外延材料的產(chǎn)業(yè)化公司有美國的CREE、Dow Corning，日本昭和電工（Showa Denko）等。

02

SiC MOSFET/Si IGBT 效能大有優(yōu)勢

 SiC半導體材料中的晶體管功能，為整體電力供應鏈(從能源產(chǎn)生、傳輸及分配給消費者)的能源效率(以較少能源獲得更多能源)提供了更大的潛力。

讓我們仔細研究一下SiC MOSFET與Si IGBT的效能優(yōu)勢。圖1顯示了先進的硅解決方案范例：如果目標為高效率與高功率密度，具有650V與1200V Si IGBT的3-Level T類拓撲的一個相位腳通常會用于三相系統(tǒng)，例如光電變頻器與UPS。采用此種解決方案，效率最高可達到20~25kHz的切換頻率。由于裝置電容較低、部分負載導通損耗較低，以及沒有關斷尾電流，因此1200V SiC MOSFET的電流損耗比1200V Si IGBT低約80%。在外部切換位置使用1200V SiC MOSFET可大幅提升效率，并在指定的框架尺寸中達到更高的輸出功率。 

圖4 先進的硅解決方案范例

進一步提高切換頻率會導致硅基解決方案效率與最大輸出功率迅速降低，但SiC MOSFET的低切換損耗不會有此問題。透過此范例的證明，工作頻率高達72kHz的三倍仍帶來比24kHz運作之硅解決方案更高的效率。因此可縮減被動元件實體尺寸、減少冷卻作業(yè)，并達到更低的系統(tǒng)重量與成本。

另一個三相電力轉(zhuǎn)換范例是電動車的充電基礎設施。1200V SiC MOSFET可為DC-DC轉(zhuǎn)換級建構(gòu)一個LLC全橋級，其中典型的硅解決方案倚賴650V Si超接面MOSFET，需要兩個串聯(lián)的LLC全橋來支援800V的DC鏈路。而四組SiC MOSFET加上驅(qū)動器IC即可取代八組Si超接面MOSFET加上驅(qū)動器IC，如圖2所示。除了零件數(shù)量減少及電路板空間縮減之外，還可以使效率達到最佳化。在每個導通狀態(tài)下，相較于Si解決方案中的四個切換位置，SiC MOSFET解決方案僅打開兩個切換位置。在快速電池充電中使用SiC MOSFET，可實現(xiàn)高效率的充電周期。 

圖5 四組SiC MOSFET加上驅(qū)動器IC即可取代八組Si超接面MOSFET加上驅(qū)動器IC

由于動態(tài)損耗比1200V Si級低一個量級，因此SiC MOSFET亦可藉由提高效能，為傳統(tǒng)的簡單拓撲提供重新使用的機會。在圖3中，將使用1200V SiC MOSFET的傳統(tǒng)2-Level解決方案與先前提及的先進3-Level硅解決方案進行比較。2-Level拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是控制方案非常簡單，且減少50%的零件數(shù)量。此種解決方案可用于光電與UPS變頻器，以及驅(qū)動系統(tǒng)、電池充電及能源儲存解決方案中具有雙向性的主動式前端。如圖3所示，盡管切換頻率從24kHz提高至48kHz，但在2-Level SiC MOSFET解決方案的高負載條件下，效率提高了0.3~0.4%，這的確令人驚奇，因為其切換電壓較3 -Level運作高出兩倍(800V比400V)。

圖6 使用1200V SiC MOSFET的傳統(tǒng)2-Level解決方案與先進3-Level硅解決方案比較

然而，以SiC MOSFET進行設計也存在著挑戰(zhàn)。設計人員必須考量SiC MOSFET的切換瞬變。相較于經(jīng)?？稍?200V Si IGBT中見到的5~20V/ns，50V/ns或更高的dv/dt并不罕見。因此，電路板層級上的寄生耦合電容將導致過多的能源損耗。對于以更簡單的2-Level解決方案取代3-Level Si IGBT解決方案的情況而言，如果切換電壓與頻率皆加倍，則寄生耦合電容將產(chǎn)生高出八倍的能源損耗。圖3顯示當SiC MOSFET在標準IGBT 2-Level解決方案中隨插即用時的原始效率線，而下一個效率線則顯示有關汲極-源極寄生電路板電容的PCB謹慎設計能如何減少損耗。當切換頻率增加時，應考量的第二個主題涉及電感器的磁芯損耗。

由于漣波電流及其相應的損耗在整個負載范圍內(nèi)維持恒定，藉由改變芯材料來改善磁芯損耗主要會影響部分負載效率。相較于3-Level Si IGBT解決方案，這兩項改善最終將帶來高于98.5%的理想效率線。這顯示SiC MOSFET主要并非Si IGBT的隨插即用選項，而且需要大量的設計作業(yè)才能將效能提升到更高水準。

03

硅主流技術影響SiC可靠性/穩(wěn)固性

 目前為止，SiC MOSFET需要比Si IGBT或Si MOSFET更高的閘極驅(qū)動電壓，而且經(jīng)常面臨極為接近零伏特的低閘極-源極臨界值電壓裕度。此微小的裕度使得閘極電壓振鈴尖峰處于高dv/dt旋轉(zhuǎn)率，成為系統(tǒng)設計人員關注的問題。新型溝槽技術實現(xiàn)了標準化閘極驅(qū)動方案，使+15V的Si IGBT足以導通，而4V基準臨界值電壓可在電流關斷時提供穩(wěn)固的訊噪比。

SiC MOSFET還需要匹配的驅(qū)動器IC才能釋放其所有潛力。這些驅(qū)動器必須處理高達50V/ns或更高的dv/dt以及高切換頻率，對時序與公差帶來了更嚴格的要求。SiC MOSFET也可能需要負閘極電壓，特別是用于硬切換拓撲或米勒鉗制時。因此，如英飛凌的EiceDRIVER IC便適合驅(qū)動SiC MOSFET，且可根據(jù)應用需求提供各種功能，包含緊密的傳播延遲匹配、精確的輸入濾波器、寬輸出側(cè)供電范圍、負閘極電壓功能或米勒鉗制，以及擴展的CMTI功能。

SiC的可靠性與穩(wěn)固性保證與硅主流技術密切相關。SiC是大功率的半導體，但是以此種材料設計MOSFET涉及各種技術挑戰(zhàn)，包括調(diào)整效能參數(shù)以達到可靠性與穩(wěn)固性。

設計平面SiC MOSFET時，必須在區(qū)域特定導通電阻與閘極氧化物可靠性之間取得主要的平衡，亦即「芯片成本與效能以及可靠性之間的權(quán)衡」。

平面SiC-SiO2介面上的缺陷密度在4H-SiC中非常高，這導致MOSFET通道中的電子散射，并因此降低電子通道移動率。效能降低會導致通道電阻增加，以及導通狀態(tài)下功率損耗增加。只有透過在氧化物上施加過大的電場加以導通，或透過更高的閘極-源極電壓或更薄的SiO2層，區(qū)域特定的導通電阻才能夠保持在優(yōu)良的低水準程度。

對于SiC材料中的溝槽MOSFET裝置結(jié)構(gòu)而言，由于垂直晶格平面中的SiO2介面具有遠低于平面介面的缺陷密度，因此毋須過度驅(qū)動氧化物。然而，由于SiC材料中的高電場，溝槽結(jié)構(gòu)對于溝槽轉(zhuǎn)角處的阻隔模式而言是更大的挑戰(zhàn)。實現(xiàn)適當場衰減的設計措施比平面結(jié)構(gòu)更為復雜。

04

采用比例提升SiC成本不再高不可攀 

在廣泛采用SiC MOSFET之前，客戶需確保合作的供應商能夠穩(wěn)定提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，且在需求增加時仍能維持水準。電源芯片商為此所建立的生產(chǎn)流程具有高容量及高靈活性，經(jīng)驗證可制造Si與SiC芯片，并組裝成獨立封裝或電源模組。多項先進的功率裝置技術先前皆已成功獲得提升，例如CoolMOS、TRENCHSTOP IGBT及CoolSiC蕭特基二極體；也致力于透過市場推廣與增加產(chǎn)量推動CoolSiC MOSFET產(chǎn)品發(fā)展。

過去以來，SiC裝置價格較硅裝置高，是阻礙市場廣泛采用SiC裝置的因素之一。由于SiC與硅裝置在原始晶圓制程中存有根本上的差異，因此SiC裝置仍較為昂貴，而且在可預見的未來不會達到同等的成本。多年來由于采用比例提升、規(guī)模經(jīng)濟、新的區(qū)域有效芯片設計，以及生產(chǎn)更大的晶圓直徑，SiC二極體價格已經(jīng)下降。目前市場上SiC裝置價格的下降及供貨的增加，使得電源設計廠商面臨提高電源轉(zhuǎn)換效能并降低系統(tǒng)成本的壓力，其需求也因此有所變更。

05

SiC功率器件發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

在技術方面，SiC具有高效率、高功率密度的優(yōu)點，但成本較高。相對于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關鍵。如碳化硅晶片的微管缺陷密度、外延工藝效率低、摻雜工藝有特殊要求等問題。

從產(chǎn)業(yè)格局看，目前全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢。其中美國全球獨大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%~80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場擁有強大的話語權(quán)；日本是設備和模塊開發(fā)方面的絕對領先者。

我國開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，但我國多家半導體廠商也在積極布局SiC和GaN器件，華潤華晶微電子和華虹宏力就是其中的代表企業(yè)。

對比歐美日國家，中國對于SiC材料和器件方面的發(fā)展，要集中優(yōu)勢資源扶持龍頭企業(yè)和研究機構(gòu)，形成規(guī)模效應。

因為第三代半導體涉及多個學科、跨領域的技術和應用，很多基礎性研發(fā)不是企業(yè)能夠解決的，要多科研院所合作，攻克技術難題。還要借助行業(yè)協(xié)會的力量，先行規(guī)劃產(chǎn)業(yè)發(fā)展線路，在標準、檢測、認證等方面內(nèi)容。

【參考資料】

《新電子》雜志、lifree、《軍民兩用技術與產(chǎn)品》雜志2020年第3期等 

【ROHM在線研討會】

將于5月28日重磅開啟！

以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體

具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優(yōu)越性能 

想要學習使用SiC MOSFET設計開關電源？

那么快來加入這次研討會吧！

 高耐壓、高效率SiC MOSFET準諧振電源方案

 2020-05-28 10:00:00

  顧偉俊--羅姆半導體（上海）有限公司設計中心工程師。

資深SiC領域?qū)＜?ROHM技術研討會主講師。多年從事SiC研究，擁有非常豐富的SiC應用經(jīng)驗。現(xiàn)任“ROHM技術研討會”SiC MOSFET部分的講師。在全國范圍內(nèi)成功舉辦了多場研討會。希望通過在線研討會的形式，突破地域的局限，與更多的同行分享工作中的心得和體會。

報名方法：