SiC MOSFET技术的演变:回顾

发布时间: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所生产的金刚砂公司开始于1893年继艾奇逊过程,其中仍在使用的发现。碳化硅在自然界中很少发现,例如在陨石,作为矿物碳硅石。用于SiC的主要用途是作为研磨材料,由于其硬度,但它已找到在汽车制动盘的用途,作为除了汽车润滑油,并且作为替代钻石珠宝。最近,已发现使用作为电子材料,最初为发光二极管(LED),以及最近用于电力电子设备,包括肖特基势垒二极管(SBD的),结型场效应晶体管(JFET的)和MOSFET晶体管。在SiC MOSFET是特别感兴趣的,因为它有可能位移现有硅超结(SJ)晶体管和集成门极双极晶体管(IGBT)技术。

碳化硅在半导体器件方面的潜力多年来一直为人们所知。1962年,西屋的劳埃德·华莱士获得专利(US3254280A),碳化硅单极晶体管器件。它本质上是一个结型场效应晶体管。图1显示了劳埃德1962年专利的图5。在p型碳化硅体中形成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,相应的栅极电极位于SiC衬底的底部。基于JFET的碳化硅目前正在生产UnitedSiC,虽然改进的性能它们是基于垂直设计,其中源极和栅极是在SiC管芯的顶侧和背面侧的漏极。

图1从US3254280A(碳化硅单极晶体管)图5

图1从US3254280A(碳化硅单极晶体管)图5

使用SiC功率电子器件的优势首先通过描述b . Jayant Baliga1989年毕业于北卡罗莱纳州立大学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。

一位当时的主要发明人是约翰Palmour,在1987年谁共同创立了克里,在研究三角公园,NC;而现在,他是CTO的电源和RF技术。Cree公司已经在各大驱动SiC功率器件技术之一。虽然他还在北卡州立大学,作为一个研究生,Palmour于1987年提交了一份关键的专利导致的SiC-MOSFET晶体管的发展。

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。

不过,最近的一些事态发展已经在这一领域已经取得了生产商业品质的电子器件的碳化硅可能首次完成“。

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,描述的SiC基板上的简单的平面MOSFET晶体管的装置专利似乎不存在。可能的是,这个概念会被认为是明显的,当时“本领域普通技术人员”。有描述用于对SiC基板上制造MOSFET晶体管的方法的各种专利和有描述的基本结构简单MOSFET结构变化专利。例如,藤井义久,铃木章。和Katsuki古河日提交的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描述了一个垂直沟槽栅SiC MOSFET的结构。这项申请在1996年被批准,现在已经是二十多年前的事了,因此这项专利已经过期,所描述的概念现在已经进入公共领域。然而,在这项专利之后还有许多SiC moset相关的专利仍然有效。例如,搜索结果显示,Cree拥有700多项与SiC MOSFET技术相关的有效专利。

图1所示的垂直沟槽栅SiC MOSFET的结构US5506421A显示在下面的图3。该专利要求保护具有导通电阻和形成在碳化硅衬底中,可能的N型的C面高的温度范围内低的垂直功率MOSFET。的N-漂移层在基板后跟一个P-沟道层之上形成。通过P-沟道层的沟槽栅击穿,和N +源极区域而形成。金属源电极和漏电极是存在于管芯的顶面和底面,分别。此沟槽架构有时表示UMOS(U形栅极)从平面DMOS(漂移MOS)设计区分开来。

图3来自US5506421A(功率MOSFET在碳化硅

图3来自US5506421A(功率MOSFET在碳化硅

现在我们快进到2011年,当克里在市场上推出第一SiC功率MOSFET,分别为CMF20120D设备。所述CMF20120D是垂直N沟道,增强模式,碳化硅MOSFET。TechInsights的完成结构分析这种设备在上市后不久就受到了市场的热烈欢迎。图4显示了CMF20120D器件中平面晶体管门的截面SEM显微图。N+源和p型植入体在这张扫描电镜显微图中被描绘出来。CMF20120D仍然可以从Cree的狼速部获得。

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SiC功率MOSFET市场显著扩大,现在每年超过2亿美元。许多新玩家已经进入市场,并且两位数的复合年增长率是预期的,因为SiC取代了Si技术在各种市场,包括汽车,光伏,和铁路。典型的SiC功率MOSFET被设计为在1200或1700 V运行,他们的目标是取代IGBT技术。更近的650 V SiC MOSFET器件已经宣布,可能的目标是与Si超级结和gan基技术竞争。

看来Cree继续关注平面SiC MOSFET技术(裁判);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 SiC n通道MOSFET。TechInsights已经对该设备进行了完整的测试结构分析2

图5与的权利要求1的比较US5506421A可见,罗门哈斯SCT3022AL使用许多的权利约翰Palmour开创性的沟槽MOSFET的SiC专利的功能。例如,SEM图像显示了一个沟槽,绝缘层,和栅电极的存在。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),将需要演示正在使用的权利要求元素。

图5 Rohm SCT3022AL 650 V SiC MOSFET截面

图5 Rohm SCT3022AL 650 V SiC MOSFET截面

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。裁判)。


1B. J. Baliga, <电力半导体器件在高频应用中的价值图>。" IEEE电子设备通讯10(10),1989。
2制造商ROHM Semiconductor SCT3022ALGC11碳化硅MOSFET功率要点,PEF-1905-802,公司TechInsights的2019。

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