发布时间：2019年10月31日
作者:Sinjin Dixon-Warren
碳化硅(SiC)是一种应用广泛的工业材料。大规模生产由Carborundum公司在发现ACHESON过程之后于1893年开始，仍在使用。SiC很少在自然界中发现，例如在陨石中，作为矿物莫森酸盐。由于其硬度，SiC的主要用途是一种磨料材料，但它已在汽车制动磁盘中发现用于汽车润滑油的用途，以及作为珠宝的钻石的替代品。最近，它已发现用作电子材料，最初用于发光二极管（LED），最近用于电力电子设备，包括肖特基势垒二极管（SBD），结场效果晶体管（JFET）和MOSFET晶体管。由于其潜在的潜在硅超结（SJ）晶体管和集成栅极双极晶体管（IGBT）技术，因此SiC MOSFET特别感兴趣。
多年来，碳化硅在半导体器件中的潜力已经为人所知。1962年，西屋电气公司的劳埃德·华莱士申请了US3254280A)，一种碳化硅单极晶体管器件。它本质上是一个结场效应晶体管。图1显示了劳埃德1962年专利的图5。在p型SiC体中形成n型沟道区。源/漏接点形成于n型通道。栅极结构位于源极和漏极之间，在SiC衬底的底部有相应的栅极电极。碳化硅基的JFET目前正在生产曼尽管提高了性能，但它们基于垂直设计，其中源极和栅极位于SiC管芯的顶部和后侧的漏极。
图1来自US3254280A（碳化硅单极晶体管）图5
首先描述使用SIC用于电力电子设备的好处B贾扬特·巴利加1989年在北卡罗来纳州立大学(NCSU)发表的论文1．Baliga在通用电气任职期间，因发明了IGBT而闻名。现为北卡罗来纳大学特聘教授。他得出了一个价值数字，表示BHFFOM，表明可以通过使用具有更大迁移率和更高临界击穿场的半导体，如SiC甚至金刚石，来减少功率损耗。大约在这个时候，有一股关于SiC功率半导体应用的专利热潮。
那个当时的主要发明人之一是John Palmour于1987年共同创立了Cree，在Triangle Park，NC;他现在是电力和射频技术的CTO。Cree是SIC电源设备技术的主要驱动因素之一。虽然他仍然在NCSU，作为研究生，Palmour于1987年提出了一个关键专利，导致基于SIC的MOSFET晶体管的开发。
这项开创性的专利(US4875083A)与在SiC衬底上形成MOS电容器结构有关。绪论介绍了当时SiC的发展状况:
“碳化硅一直是半导体器件的候选材料。碳化硅长期以来被认为具有特殊的特性，这使得它具有生产具有其他常用半导体材料如硅(Si)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)形成的器件的卓越特性的半导体器件的卓越潜力。碳化硅具有宽的带隙、高的熔点、低的介电常数、高的击穿场强、高的热导率和高的饱和电子漂移速度。这些特性使碳化硅制造的器件有可能在更高的温度、更近的距离、更高的功率水平下工作，以及其他一些由其他半导体材料制造的器件无法实现的情况下工作。
尽管有这些已知的特性，但由碳化硅制成的商用优质器件尚未问世。碳化硅是一种极难加工的材料，它的结晶类型超过150种。因此，在半导体材料上制造电子器件所需的单个多晶型的大单晶或特定多晶型的碳化硅薄膜的形成一直是一个难以实现的目标。
然而，最近，在该领域已经完成了许多发展，该领域首次使得在碳化硅上的商业质量电子设备生产。“
本专利图1和图2给出了所述MOS电容器的结构，如下图2所示。该电容器由一个圆形欧姆接触到掺杂的SiC衬底，中央圆形金属接触覆盖一层氧化物。由于底层碳化硅中载流子的损耗，电容随外加电压的函数而变化。MOS电容器结构对MOSFET晶体管的形成至关重要。
图2来自US4875083A(在碳化硅上形成的金属-绝缘-半导体电容器
奇怪的是，一项描述在SiC衬底上的简单平面MOSFET晶体管的装置专利似乎并不存在。很有可能，这个概念在当时被认为是“一个拥有普通技能的人”。有许多专利描述了在SiC衬底上制作MOSFET晶体管的方法，也有一些专利描述了基本结构简单MOSFET结构的变化。例如，藤井芳久(Yoshihisa Fujii)、铃木章(Akira Suzuki)和古川胜树(Katsuki Furukawa)都提出了申请US5170231A在1990年描述了不对称源漏电导率的SiC MOSFET。此后不久，1992年，John Palmour申请了他的开创性专利(US5506421A)描述了垂直槽栅SiC MOSFET的结构。该申请是在1996年批准的，现在已经是二十多年前了，因此该专利已经过期，所描述的概念现在属于公共领域。然而，有许多SiC mosfet相关的专利遵循该专利仍然有效。例如，一项调查显示，Cree拥有700多项与SiC MOSFET技术相关的专利。
图1描述了垂直沟槽栅SiC MOSFET的结构US5506421A如下图3所示。该专利要求垂直功率MOSFET，其在碳化硅衬底的C面上形成低导通电阻和高温范围，可能是N型。在基板上形成一个漂移层，然后是p沟道层。沟槽栅极穿过P沟道层，形成n +源区。金属源和漏电极分别存在于模具的顶部和底侧上。该沟槽架构有时表示UMOS（U形门），以区分平面DMOS（漂移MOS）设计。
图3来自US5506421A（碳化硅中的功率MOSFET）图1
图4 Cree CMF20120D碳化硅平面MOSFET截面
自2010年以来，SiC功率MOSFET市场已经显著扩大，现在每年超过2亿美元。随着碳化硅在汽车、光伏和铁路等多个市场取代硅技术，许多新的参与者已经进入市场，预计将实现两位数的复合年增长。通常，SiC功率MOSFET被设计为在1200或1700 V下工作，他们的目标是取代IGBT技术。最近，已经公布了650 V SiC MOSFET器件，其目标可能是与硅超级结和氮化镓基技术竞争。
似乎Cree继续关注平面SiC MOSFET技术（裁判）;然而，其他玩家包括英飞凌和rohm，提供了沟渠或umos技术。相比之下，STMicroelectronics还专注于平面SiC MOSFET技术。图5显示了ROHM上的沟槽门的横截面SEM显微照片SCT3022AL650 V SiC n沟道MOSFET。TechInsights对该设备进行了完整的结构分析2．
图5与索赔1的比较US5506421A显示，Rohm SCT3022AL使用了John Palmour开创性trench SiC MOSFET专利中声称的许多特性。例如，SEM图像显示沟槽、绝缘层和栅电极的存在。需要进一步的详细分析，包括透射电子显微镜(TEM)和扫描微波阻抗显微镜(sMIM)，来证明正在使用的索赔元素。
图5 Rohm SCT3022AL 650 V SiC MOSFET截面
碳化硅是一种颠覆性技术，随着它在各种关键电力电子市场取代硅基技术，它开始获得市场牵引力。自20世纪80年代中期以来，主要发明家所做的创新工作使这成为可能。据预测，到2025年，碳化硅电力电子市场将超过10亿美元，甚至可能更早(裁判)．
1B. J. Baliga，“用于高频应用的功率半导体器件的优点”。电子器件学报10(10)，1989。
2RoHM半导体SCT3022ALGC11 SIC MOSFET Power Essentials，PEF-1905-802，TechInsights Inc. 2019。
定期、简洁地分析新兴的功率过程半导体产品
基于事实的分析新兴功率半导体技术，使用氮化镓(GaN)和碳化硅(Sic)，创新，竞争硅(Si)的使用。
