電力電子行業在 80 年代初期向前邁出了一大步，當時絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 技術的引入使創新型電源轉換器的設計成為可能，從而以更低的成本實現更高的效率。IGBT 可以以低導通電阻（即低飽和電壓）阻止高電壓，并且可以在相對較高的開關頻率下工作。然而，隨著開關頻率的增加，開關損耗也會增加。反過來，這會產生更多需要正確散熱的熱量，從而增加成本并降低系統效率。

碳化硅 （SiC）技術大大降低了開關損耗，保持了相同的電壓阻斷能力，但具有前所未有的效率、更好的熱管理和更小的尺寸。與標準硅基技術相比，寬帶隙技術具有許多優勢。工作溫度可以更高，熱管理得到改進，并且在輕負載條件下開關和傳導損耗都降低了。

碳化硅的歷史

盡管碳化硅材料幾十年來一直是研究的主題，但直到 80 年代后期才有人建議將其用于功率器件制造。世界各地的實驗室付出了相當大的努力來提高垂直功率器件（如高壓肖特基勢壘和 SiC MOSFET）所需的 SiC 襯底和六方 SiC 外延的質量。研究活動在接下來的十年中繼續進行，產生了越來越有希望的結果。

英飛凌于 2001 年發布了第一款商用 SiC 器件，肖特基二極管。第一款器件出現了一些現場故障，主要與器件架構和材料質量有關。結勢壘肖特基 （JBS） 二極管架構的引入有助于實現更好的峰值電場分布。研究人員還改進了基板和外延的質量。 JBS 架構隨后演變為合并的 PN/肖特基結構 （MPS），它結合了對肖特基勢壘的電場屏蔽和通過引入真正的少數載流子注入增加的浪涌電流能力。今天的 SiC 二極管已經實現了前所未有的可靠性，總故障時間 （FIT） 率比硅基功率二極管低 10% 到 15%。

碳化硅 MOSFET 的演變

第一個 SiC 功率晶體管是 SemiSouth 于 2008 年向市場發布的 1，200-V 結型場效應晶體管 （JFET）。之所以選擇 JFET 方法是因為雙極結型晶體管 （BJT） 和 MOSFET 替代品被認為無法支持碳化硅技術當時足夠。BJT 解決方案由于需要高開關電流、顯著的功率損耗以及該技術對雙極退化的敏感性而被廢棄。通常，JFET 通常位于晶體管上，但 SemiSouth 主要出于安全原因選擇了常關 JFET。盡管該設備在效率、功率密度和可靠性方面取得了高性能結果，但事實證明它很難大批量生產。

接下來是 SiC MOSFET，由于其與硅 IGBT 的相似性，因此更易于生產。盡管如此，SiC MOSFET 存在一些問題，主要與柵極氧化物有關。早在 1970 年代，一些研究人員就注意到純 SiC 和生長的 SiO2之間的過渡區受到氧化物陷阱的影響，這抑制了載流子遷移率并導致閾值電壓不穩定。1990 年代末和 2000 年代初進行的研究調查了該問題并提出了減輕負面影響的策略。在潮濕環境中的氧化，使用 H2O 作為氧化劑而不是干燥的 O2，產生了實質性的改進。

在潮濕環境中的氧化，使用 H2O 作為氧化劑而不是干燥的 O2，產生了實質性的改進。使用離軸基板、氮化以及最終采用幾乎沒有設備殺傷微管的 150 毫米（6 英寸）晶圓取得了進一步的進步。

隨著制造商將注意力轉向開發更多更高性能的器件，碳化硅 MOSFET 研究的已發表進展略有下降，但預計碳化硅 MOSFET 閾值電壓穩定性、工藝篩選和柵極氧化物可靠性將進一步改進（圖 1）。

碳化硅MOSFET質量

在過去幾年中，多家供應商發布了 1，200-V 碳化硅 MOSFET，具有高溝道遷移率、長氧化物壽命和高閾值電壓穩定性。美國國家標準與技術研究院 （NIST） 的研究人員利用瞬態介質擊穿 （TDDB） 等壽命加速技術，預測一家主要制造商的 SiC MOS 技術的氧化物壽命將超過 100 年，甚至結溫高于 200°C。

圖 2：在 175°C 下進行的 HTGB 壓力測試，具有正負 VGS

還應注意的是，雖然硅 MOS 中通常存在與溫度相關的加速因子，但 NIST 研究人員尚未觀察到 SiC MOS 的相同現象。圖 2 顯示了在 175°C 下對來自不同晶圓批次的多個器件進行的高溫柵極偏置 （HTGB） 應力測試的結果。閾值電壓穩定性很明顯，并且沒有觀察到明顯的偏移。

審核編輯：郭婷