碳化硅MOSFET技术的发展:一个综述

发布日期:2019年10月31日
供稿作者:Sinjin Dixon-Warren

碳化硅(SiC)是一种广泛使用的工业材料。Widescale所生产的碳化硅有限公司它开始于1893年,在发现至今仍在使用的艾奇逊法之后。碳化硅在自然界中很少发现,例如在陨石中,如矿物莫伊斯山陨石中。由于碳化硅的硬度,它的主要用途是作为一种研磨材料,但它也被用于汽车制动盘,作为汽车润滑油的添加剂,以及作为珠宝钻石的替代品。最近,它被用作电子材料,最初用于发光二极管(led),最近用于电力电子器件,包括肖特基势垒二极管(SBD)、结场效应晶体管(JFET)和MOSFET晶体管。SiC MOSFET尤其令人感兴趣,因为它有潜力取代现有的硅超级结(SJ)晶体管和集成栅双极晶体管(IGBT)技术。

碳化硅的半导体器件的潜力已被公知多年。1962年Lloyde华莱士西屋专利(US3254280A),碳化硅单极晶体管器件。它基本上是一个结型场效应管。图1显示了从Lloyde的1962年的专利的图5。形成在P型SiC体的N型沟道区。源极/漏极接触被形成为N型沟道。栅极结构位于所述源极和漏极之间,在SiC基板的底侧上的相应栅电极。基于碳化硅JFET的是目前在生产的UnitedSiC虽然为了提高性能,他们是基于垂直设计,源和浇口是在顶部的碳化硅模具和排水在背面。

图1来自US3254280A(碳化硅单极晶体管

图1来自US3254280A(碳化硅单极晶体管

在电力电子设备中使用SiC的好处是由b . Jayant Baliga北卡罗莱纳州立大学(NCSU)的,在1989年1。Baliga最为人所知的是IGBT的发明人,他在通用电气工作期间发明了IGBT。他现在是NCSU的著名教授。他推导出了一个数值,即BHFFOM,该数值表明,使用具有更大迁移率和更高临界击穿场的半导体(如碳化硅甚至金刚石)可以减少功率损失。大约在这个时候,出现了一场与SiC电力半导体应用相关的专利活动。

当时的关键发明者之一是约翰·帕尔默(John Palmour),他于1987年在北卡罗来纳州的三角研究园(Research Triangle Park)与人共同创立了Cree;他现在是电源和射频技术的首席技术官。Cree已经成为SiC动力装置技术的主要推动者之一。当他还是NCSU的研究生时,Palmour在1987年申请了一项关键的专利,导致了基于si的MOSFET晶体管的开发。

这项开创性专利(US4875083A)涉及在SiC衬底上形成MOS电容结构。引言介绍了当时碳化硅的发展状况:

“碳化硅一直是半导体器件中的一个四季不断的候选人。碳化硅长期以来被认为是具有给它优秀潜力用于生产具有到诸如硅(Si)等通常使用的半导体材料形成的器件优良特性的半导体器件,砷化镓(GaAs)和磷化铟特定特征(INP)。碳化硅具有宽的带隙,高的熔点,低介电常数,高击穿场强,高的热传导性和高饱和电子漂移速度。这些特性给予由碳化硅制成的电势在更高的温度下操作,更接近彼此,在较高的功率水平的装置,以及其他一些情况下可从其它半导体材料制成的器件根本无法执行。

尽管有这些已知的特性,商用质量的碳化硅形成的装置还没有到来。碳化硅是一种极其困难的材料,它可以在超过150种不同的多晶体中结晶。因此,在半导体材料上形成用于制造电子器件的单一多晶硅的大单晶或特殊多晶硅的薄膜一直是一个难以实现的目标。

然而,最近在这一领域取得了一些进展,第一次使在碳化硅上生产商用质量的电子器件成为可能。

所述MOS电容器的结构如图1和图2所示,如下图2所示。电容器是由一个圆形欧姆接触掺杂SiC衬底与中央圆形金属接触在一层氧化物。由于底层SiC中载流子的耗尽,电容随外加电压的变化而变化。MOS电容结构对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体-半导体电容器

图2来自US4875083A(在碳化硅上形成的金属绝缘体-半导体电容器

奇怪的是,描述在SiC基片上的简单平面MOSFET晶体管的仪器专利似乎并不存在。很可能,这个概念在当时对于“一个在这方面有普通技能的人”来说是显而易见的。有各种描述在SiC基片上制造MOSFET晶体管的方法的专利,也有描述基本结构的变化的专利简单的MOSFET结构。例如,藤井佳久(Yoshihisa Fujii)、铃木章(Akira Suzuki)和古川胜树(Katsuki Furukawa)提出了诉讼US5170231A在1990年描述的SiC MOSFET具有不对称源极/漏极导电性。此后不久,在1992年,约翰·Palmour提起他的开创性专利(US5506421A)描述垂直沟槽栅极的SiC MOSFET的结构。应用程序是二十年前授予在1996年,也就是现在的,因此这项专利已经过期,现在所描述的概念是在公共领域。有,但是,许多都遵循了这一专利,这将仍然是有效的SiC MOSFET相关专利。一个搜索,例如,显示,克里有超过700项有关的SiC MOSFET技术活性专利。

图1所示的垂直沟槽栅SiC MOSFET的结构US5506421A如下面的图3所示。该专利声称一种垂直功率MOSFET具有低通电阻和高温范围形成在碳化硅衬底(可能是n型)的c面。N-漂移层形成于衬底之上,接着是P-沟道层。沟槽栅穿过P沟道层,形成N+源区。金属源电极和漏电极分别位于模具的顶部和底部。这种沟槽结构有时被称为UMOS (u形栅极),以区别于平面DMOS(漂移MOS)设计。

图3来自US5506421A(功率MOSFET在碳化硅

图3来自US5506421A(功率MOSFET在碳化硅

我们现在快进到2011年,当克里推出第一SiC功率MOSFET在市场上,即CMF20120D设备。所述CMF20120D是垂直N沟道,增强模式,碳化硅MOSFET。TechInsights的完成结构分析该设备后不久就出现在市场上。图4示出在CMF20120D设备平面型晶体管栅极的横截面SEM显微照片。N +源极和P型身体植入物已被划定在此SEM显微照片。该CMF20120D仍然可以从Cree公司的Wolfspeed师。

图4 Cree CMF20120D碳化硅MOSFET平面截面

图4 Cree CMF20120D碳化硅MOSFET平面截面

自2010年以来的SiC功率MOSFET市场已明显扩大,现在每年超过2亿$。很多新玩家都进入了市场,两位数的复合年增长率预计,随着碳化硅取代硅技术在各个市场,包括汽车,光伏发电和铁路。典型地,SiC功率MOSFET已被工程化在1200或1700 V,其中他们的目标是位移IGBT技术来操作。最近650个V. SiC-MOSFET元件已经公布,这可能与目标硅超结,并与基于GaN的技术竞争。

看来,Cree公司继续专注于平面的SiC MOSFET技术(REF);然而,包括英飞凌和Rohm在内的其他厂商提供了堑壕或UMOS技术。相比之下,意法半导体也专注于planar公司的SiC MOSFET技术。图5显示了在Rohm上发现的沟槽门的扫描电镜横断图SCT3022AL650 V.碳化硅N沟道MOSFET。TechInsights的已经经受此设备以一个完整的结构分析2

图5的权利要求1的比较US5506421A显示Rohm SCT3022AL使用了在John Palmour精沟SiC MOSFET专利中声称的许多特征。例如,扫描电镜图像显示了沟槽、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),以演示正在使用的索赔元素。

图5罗门哈斯SCT3022AL 650个V.碳化硅MOSFET横断面

图5罗门哈斯SCT3022AL 650个V.碳化硅MOSFET横断面

碳化硅是一种具有颠覆性的技术,它取代了基于硅的技术,在各种关键的电力电子市场上获得了市场吸引力。关键发明家自1980年代中期以来的创新工作使这成为可能。预计SiC电力电子市场到2025年将超过10亿美元,甚至可能更快。REF)。


1B. J. Baliga,“择优用于高频应用的功率半导体器件的数字”。IEEE电子器件快报10(10),1989年。
2Rohm Semiconductor SCT3022ALGC11 SiC MOSFET电源概要,PEF-1905-802, TechInsights Inc. 2019。

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