立方SiC：电力电子行业的明日冠军

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 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

1. F. Blaabjerg and S. Round. “Power Electronics: Revolutionizing the world’s future energy systems”
2. https://www.hitachienergy.com/uk-ie/en/news/perspectives/2021/08/power-electronicsrevolutionizing-the-world-s-future-energy-systems.
3. “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
4. F. Iannuzzo. “Reliability Challenges of Automotive-grade Silicon Carbide Power MOSFETs,” https://eepower.com/technical-articles/reliability-challenges-of-automotive-grade-silicon-carbide-powermosfets/#.
5. 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)
6. F. Li et al. “Status and Prospects of Cubic Silicon Carbide Power Electronics Device Technology,” Materials 14 (2021)

【近期会议】

7月斑斓盛夏，先进半导体量测与检测会议热力开启！2023年7月27日，邀您上线与参会嘉宾交流答疑，赋能泛半导体产业协同创新发展！报名链接：https://w.lwc.cn/s/Ufa67n