立方SiC：电力电子行业的明日冠军
2023/7/19 14:34:37 材料来源：化合物半导体
立方SiC具有与硅相同的晶体结构，同时具有更宽的带隙和高可靠性的潜力，是什么能阻止立方法SiC在未来的电力电子行业中发挥重要作用呢？
作者：MIKE JENNINGS，SWANSEA 大学
特斯拉的崛起在许多方面都受到欢迎。它没有内燃机，有助于减少碳排放；由于电池供电，它相对安静；而且，对于化合物半导体行业的人来说更亲切，正是特斯拉早期采用SiC电力电子器件，推动了这些器件的销售。
特斯拉领先的地方，其它电动汽车制造商肯定会效仿。他们也将在其动力系统中使用SiC器件，从而扩大这些宽带隙器件的销售。由于需求如此强劲，这些器件的四个主要制造商--Wolfspeed、Infineon、STMicroelectronics和Onsemi--预测到这十年的中期，这类器件的年销售额将达到数十亿美元。鉴于SiC功率器件将获得巨大成功，人们会认为它们没有任何缺陷。但实际情况并非如此。事实上，它存在着与可靠性有关的重大问题，主要集中在栅极氧化物上。
SiC 功率器件在电动汽车中的主要作用是将电池的输出（通常为 400V或800 V 直流）转换为驱动电机的交流形式—产生高达 数百 kW 左右的功率。电压要求没有问题，因为它在大多数传统 4H-SiC 器件的范围内，650 V 至 1.7 kV。
图 1：立法SiC 与硅和其他商用宽带隙材料的电气和材料特性雷达图。此图表显示了电力电子应用的主要半导体材料参数。
由于4H-SiC晶体管与硅的同类产品一样，是基于垂直MOSFET设计的，因此围绕着栅极氧化物存在一些问题。在这种结构下，栅极氧化物在高温下的失效是一个主要的弱点。这并不奇怪，因为这种形式的MOSFET中使用的栅极氧化物要比硅的同类产品薄得多，以保持可接受的低阈值电压。不幸的是，这种较薄的氧化物会产生两个不良后果：氧化物-半导体界面的重要性增加，以及氧化物内固有的电场，通常是SiC表面电场的2.5倍。
这两个问题在沟槽MOSFET架构中都特别麻烦，因为它们会因沟槽拐角而加剧。为了解决这个问题，那些设计最新沟槽 MOSFET 器件的人员降低了它们的阻断电压能力，以保护脆弱的栅极氧化物。
解决与可靠性相关的问题的另一种选择是效仿 GaN 器件所采用的方法。采取这种策略使一些设计者主张采用级联共封装的器件，例如将4H-SiC JFET与硅MOSFET配对。但这种组合会限制其性能，尤其是在高温下。
立方SiC：长寿命堡垒
进入立方SiC，也称为 3C-SiC，这是一种令人兴奋的材料，有望成为“可靠先生”！但这种晶型材料还有很多工作要做，因为晶圆和外延层处于非常早期的阶段，因此缺陷较多。然而，最近在块状材料和硅上3C-SiC的生长方面取得了巨大进展--意大利卡塔尼亚的微电子和微系统研究所的Francesco La Via在本杂志的较早期中详细介绍了这些进展。
你可能想知道为什么 3C-SiC 如此令人兴奋。毕竟，与 GaN 和 4H-SiC 相比，它具有较低的带隙、较小的临界电场、适中的电子迁移率和较低的热导率（见图1）。当然，这表明 3C-SiC 不如这两种宽带隙巨头 GaN 和 4H-SiC。
图 2：立方（3C-）SiC和商用（4H-）SiC的界面陷阱密度比较图。由于不存在 4H 系统中普遍存在的近界面陷阱，3C-SiC 显示出有利的（或大大降低的）陷阱密度。改编自：R. Esteve, “Fabrication and characterization of 3Cand 4H-SiC MOSFETs,” Doctoral thesis, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, 2011.
虽然所有这些指标都是有效的，但它们忽略了半导体材料特性列表中未涵盖的两个关键因素：加工工艺，包括界面质量及可靠性，这可能涉及金属或绝缘体。这些因素显然很重要。毕竟，如果宽带隙材料不能用于制造器件或只能持续一个开关周期的器件，那么它有什么用呢。
当然，这些担忧不适用于商用的 4H-SiC 和 GaN——但是这些材料的加工，尤其是 GaN，与传统硅的加工完全不同且更具挑战性。相比之下，具有立方结构和 2.36 eV 的低能带隙的 3C-SiC 比宽带隙家族的其他产品更接近硅。在将 3C-SiC 加工成器件时，这些特性提供了许多好处。
图 3：与立方 (3C) SiC 相比，其他宽带隙材料的半导体SiO2 带偏移，摘自： F. Li et al. Materials 14 (2021)
让我们首先考虑MOS界面。电力电子应用工程师往往需要高阻抗栅极，例如 MOS 栅极。 事实证明，这对4H-SiC器件的开发者来说，这是难以实现的，他们在30年的时间里一直在努力解决MOS界面不佳的问题--即使在今天，这仍然是它的致命弱点。在4H-SiC MOSFET的早期，沟道迁移率非常低--通常只有5cm2 V-1 s-1—以至于沟道电阻占器件总电阻的90%以上。从电力电子转换器的使用情况来看，这是一个不可接受的高值，也是不可行的。尽管如前所述，4H-SiC中的低迁移率现已得到控制，但仍存在与沟槽结构迁移相关的问题，主要是高温可靠性问题。
对 MOS 界面产生不利影响的陷阱主要有三种类型：近界面陷阱；受主状碳簇；以及发生在界面上的悬挂键（有关陷阱类型的说明，以及 4H-SiC 和 3C-SiC MOS 界面的对比，请参见图 2）。对于 4H-SiC，导带边缘被所有类型的陷阱机制所淹没，包括最主要的近界面陷阱。与此形成鲜明对比的是，3C-SiC 不受这些近界面陷阱的影响。当然，它仍然受到类受主碳簇的阻碍，其影响远大于悬挂键。这三种形式的陷阱的一个关键结果是，通常需要采用氢退火的方法来钝化 SiC MOS 界面。
从所有这些考虑中得出的重要结论是什么？这意味着，就 3C-SiC MOSFET 而言，实现更高的沟道迁移率并因此降低导通电阻所需的努力要少得多。事实上，开发3C-SiC MOSFET 的努力已经取得成果，其迁移率超过 100 cm2 V-1 s-1。 值得注意的是，除了硅基3C-SiC的这些结果外，还有一些与块状 3C-SiC 相关的研究表明，p-n 二极管的性能和商业可行性有所提高。相对于硅基3C-SiC 的异质外延，块状 3C-SiC 的潜在优点包括易于处理离子注入和金属化的加工技术。此外，还有希望通过调整层厚来缩放电压，从商业角度来看，这是一个有吸引力的特性。这一特性在超过 650 V 的电压下尤其受欢迎，超过 650 V 电压时，相互竞争的器件有：硅MOSFET、硅超级结器件、硅IGBT、4H-SiC MOSFET和GaN HEMT。
在Swansea 大学，我们团队正在努力证明这些新材料可用于汽车应用。众所周知，汽车和航空航天行业坚持最高的可靠性标准，同时将成本降到最低。这意味着要在高温下测试栅极氧化物，并在芯片级进行加速寿命分析。物理方面的考虑表明，3C-SiC 可以提供出色的可靠性。它与 SiO2 栅极氧化物的带状偏移为 3.7 eV，该值远大于硅和 4H-SiC（见图 3）。这是一项重要的优势，因为对于给定的电介质临界电场，通过该氧化物的隧道电流与带偏移呈指数关系，带偏移有时称为势垒高度。该优势的一个结果是，对于进入栅极驱动电路的相同漏电流，3C-SiC MOS 系统内的电场可以比 4H-SiC 高两到三倍。因此，3C-SiC 沟槽功率 MOSFET 的降额要求远没有 4H-SiC 同类产品严格。
图 4：不同电场下 3C-SiC MOS 电容器的故障分布 (a) 和相应的Weibull分布 (b)，摘自： F. Li et al. Materials 14 (2021)。在电场值为6 - 9 MV cm-1时，进行了随时间变化的电介质击穿分析。当电场强度达到8.5MV cm-1时，故障率稳步增加，超过该值时，故障数迅速增加至100%。
3C-SiC MOS 界面还保证了高水平的栅氧化层可靠性和长寿命。Swansea大学与华威大学合作，对具有基于N2O的栅极氧化工艺形成的界面结构进行了测量，显示出稳定的漏电流和大约 8 MV/cm 的临界电场强度，这是观察到的3C-SiC MOS结构的最高值。即使是在具有固有高缺陷密度的外延材料上形成的初步3C-SiC MOS 电容，也能提供 8 MV/cm 的击穿场强，接近 4H-SiC 的典型值 9 - 11 MV/cm。
我们团队最近对 3C-SiC MOS 电容进行了时间依赖性介电击穿分析（参见图 4）。我们将它们的低故障归因于 3C-SiC 衬底中的晶体缺陷，这会影响局部材料性能。对于高场故障——即超过 8.5 MV/cm 的场强——故障是由于高临界电场导致的泄漏电流增加或冲击电离引起的。
这项工作的主要结论是，即使在超过 8.5 MV/cm 的高电场下，3C-SiC 的加速斜率仍然很低。这些斜率比 4H-SiC 低一个数量级，表明外在缺陷仍然是总体上的主要失效机制。
扩展阅读
- F. Blaabjerg and S. Round. “Power Electronics: Revolutionizing the world’s future energy systems”
- https://www.hitachienergy.com/uk-ie/en/news/perspectives/2021/08/power-electronicsrevolutionizing-the-world-s-future-energy-systems.
- “Automotive Council UK and Advanced Propulsion Centre UK Roadmap 2020 Power Electronics,” https://www.apcuk.co.uk/app/uploads/2021/09/https___www.apcuk_.co_.uk_app_ uploads_2020_11_Technology-Roadmap-Power-Electronics.pdf
- F. Iannuzzo. “Reliability Challenges of Automotive-grade Silicon Carbide Power MOSFETs,” https://eepower.com/technical-articles/reliability-challenges-of-automotive-grade-silicon-carbide-powermosfets/#.
- J. O. Gonzalez et al. “Performance and Reliability Review of 650 V and 900 V Silicon and SiC Devices: MOSFETs, Cascode JFETs and IGBTs,” IEEE Trans. Ind. Electron. 67 7375 (2020)
- F. Li et al. “Status and Prospects of Cubic Silicon Carbide Power Electronics Device Technology,” Materials 14 (2021)
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