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碳化硅MOSFET性能的优势与发展遇到的瓶颈!

www.p-e-china.com 2017/10/20 15:10:41 来源:本站 电力电子论坛

  引言   碳化硅功率器件近年来越来越广泛应用于工业领域,受到大家的喜爱,不断地推陈出新,大量的更高电压等级、更大电流等级的产品相继推出,市场反应碳化硅元器件的效果非常好,但似乎对于碳化硅元器件的普及还有很长的路要走。那为什么SiC器件这么受欢迎,但难以普及?本文简单概述一下碳化硅器件的特性优势与发展瓶颈!   碳化硅mos对比硅mos的11大优势   1SiC器件的结构和特征   Si材料中,越是高耐压器件其单位面积的导通电阻就越大(通常以耐压值的大概2-2.5次方的比例增加),因此600V以上的电压中主要采用IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)。IGBT通过电导率调制,向漂移层内注入作为少数载流子的空穴,因此导通电阻比MOSFET还要小,但是同时由于少数载流子的积聚,在关断时会产生尾电流,从而造成极大的开关损耗。   SiC器件漂移层的阻抗比Si器件低,不需要进行电导率调制就能够以高频器件结构的MOSFET实现高耐压和低阻抗。而且MOSFET原理上不产生尾电流,所以用SiC MOSFET替代IGBT时,能够明显地减少开关损耗,并且实现散热部件的小型化。另外,SiC MOSFET能够在IGBT不能工作的高频条件下驱动,从而也可以实现被动器件的小型化。与600V~1200V的Si MOSFET相比,SiC MOSFET的优势在于芯片面积小(可以实现小型封装),而且体二极管的恢复损耗非常小。   2SiC Mosfet的导通电阻   SiC 的绝缘击穿场强是Si 的10倍,所以能够以低阻抗、薄厚度的漂移层实现高耐压。因此,在相同的耐压值的情况下,SiC 可以得到标准化导通电阻(单位面积导通电阻)更低的器件。例如900V时,SiC‐MOSFET 的芯片尺寸只需要Si‐MOSFET 的35分之1、SJ‐MOSFET 的10分之1,就可以实现相同的导通电阻。不仅能够以小封装实现低导通电阻,而且能够使门极电荷量Qg、结电容也变小。目前SiC 器件能够以很低的导通电阻轻松实现1700V以上的耐压。因此,没有必要再采用IGBT这种双极型器件结构(导通电阻变低,则开关速度变慢) ,就可以实现低导通电阻、高耐压、快速开关等各优点兼备的器件。   3Vd-Id特性   SiC‐MOSFET 与IGBT 不同,不存在开启电压,所以从小电流到大电流的宽电流范围内都能够实现低导通损耗。而Si MOSFET 在150℃时导通电阻上升为室温条件下的2 倍以上,与Si MOSFET 不同,SiC MOSFET的上升率比较低,因此易于热设计,且高温下的导通电阻也很低。   4驱动门极电压和导通电阻   SiC‐MOSFET 的漂移层阻抗比Si MOSFET 低,但是另一方面,按照现在的技术水平,SiC MOSFET的MOS 沟道部分的迁移率比较低,所以沟道部的阻抗比Si 器件要高。因此,越高的门极电压,可以得到越低的导通电阻(Vgs=20V 以上则逐渐饱和)。如果使用一般IGBT 和Si MOSFET 使用的驱动电压Vgs=10~15V 的话,不能发挥出SiC 本来的低导通电阻的性能,所以为了得到充分的低导通电阻,推荐使用Vgs=18V左右进行驱动。Vgs=13V 以下的话,有可能发生热失控,请注意不要使用。   5Vg-Id特性   SiC MOSFET 的阈值电压在数mA 的情况下定义的话,与Si‐MOSFET 相当,室温下大约3V(常闭)。但是,如果流通几个安培电流的话,需要的门极电压在室温下约为8V 以上,所以可以认为针对误触发的耐性与IGBT 相当。温度越高,阈值电压越低。   6Turn-On特性   SiC‐MOSFET 的Turn‐on 速度与Si IGBT 和Si MOSFET 相当,大约几十ns。但是在感性负载开关的情况下,由通往上臂二极管的回流产生的恢复电流也流过下臂,由于各二极管性能的偏差,从而产生很大的损耗。Si FRD 和Si MOSFET 中的体二极管的通常恢复电流非常大,会产生很大的损耗,而且在高温下该损耗有进一步增大的趋势。与此相反,SiC二极管不受温度影响,可以快速恢复,SiC MOSFET 的体二极管虽然Vf 较高但是与碳化硅二极管相同,具有相当的快速恢复性能。通过这些快速恢复性能,可以减少Turn‐on 损耗(Eon)好几成。开关速度极大程度上决定于外部的门极电阻Rg。为了实现快速动作,推荐使用几Ω左右的低阻值门极电阻。另外还需要考虑到浪涌电压,选择合适的门极电阻。   7Turn-Off特性   SiC MOSFET 的最大特点是原理上不会产生如IGBT中经常见到的尾电流。SiC 即使在1200V 以上的耐压值时也可以采用快速的MOSFET 结构,所以,与IGBT 相比,Turn‐off 损耗(Eoff)可以减少约90%,有利于电路的节能和散热设备的简化、小型化。而且,IGBT 的尾电流会随着温度的升高而增大,而SiC‐MOSFET 几乎不受温度的影响。另外,由于较大的开关损耗引起的发热会致使结点温度(Tj)超过额定值,所以IGBT 通常不能在20KHz 以上的高频区域内使用,但SiC MOSFET 由于Eoff 很小,所以可以进行50KHz 以上的高频开关动作。通过高频化,可以使滤波器等被动器件小型化。   8内部门极电阻   芯片内部门极电阻与门极电极材料的薄层阻抗和芯片尺寸相关。如果是相同的设计,芯片内部门极电阻与芯片尺寸呈反比例,芯片尺寸越小,门极电阻越大。SiC MOSFET 的芯片尺寸比Si 器件小,虽然结电容更小,但是同时门极电阻也就更大。   9门极驱动电路   SiC MOSFET 是一种易于驱动、驱动功率较少的常闭型、电压驱动型的开关器件。基本的驱动方法和IGBT 以及Si MOSFET一样。推荐的驱动门极电压,ON 侧时为+18V 左右,OFF 侧时为0V。在要求高抗干扰性和快速开关的情况下,也可以施加‐3~‐5V 左右的负电压。当驱动大电流器件和功率模块时,推荐采用缓冲电路。   10体二极管的 Vf 和逆向导通   与Si MOSFET 一样,SiC MOSFET体内也存在因PN结而形成的体二极管(寄生二极管)。但是由于SiC的带隙是Si的3倍,所以SiC MOSFET的PN二极管的开启电压大概是3V左右,比较大,而且正向压降(Vf)也比较高。以往,当Si MOSFET外置回流用的快速二极管时,由于体二极管和外置二极管的Vf大小相等,为了防止朝向恢复慢的体二极管侧回流,必须在MOSFET上串联低电压阻断二极管,这样的话,既增加了器件数量,也使导通损耗进一步恶化。然而,SiC MOSFET的体二极管的Vf 比回流用的快速二极管的Vf还要高出很多,所以当逆向并联外置二极管时,不需要串联低压阻断二极管。   体二极管的Vf比较高,这一问题可以通过如同整流一样向门极输入导通信号使其逆向导通来降低。逆变驱动时,回流侧的臂上多数是在死区时间结束之后输入门极导通信号(请确认使用中的CPU的动作),体二极管的通电只在死区时间期间发生,之后基本上是经由沟道逆向流过。因此,即使在只由MOSFET(无逆向并联的SBD)构成的桥式电路中,体二极管的Vf较高也没有问题。   11体二极管的恢复特性   SiC MOSFET的体二极管虽然是PN 二极管,但是少数载流子寿命较短,所以基本上没有出现少数载流子的积聚效果,与SBD 一样具有超快速恢复性能(几十ns)。因此Si MOSFET的体二极管与IGBT外置的FRD相比,其恢复损耗可以减少到IGBT外置的FRD的几分之一到几十分之一。体二极管的恢复时间与SBD相同,是恒定的,不受正向输入电流If的影响(dI/dt 恒定的情况下)。在逆变器应用中,即使只由MOSFET 构成桥式电路,也能够实现非常小的恢复损耗,同时还预期可以减少因恢复电流而产生的噪音,达到降噪。   从以上这些方面就能看出SiC MOSFET相对于Si IGBT和MOSFET的优势所在。   碳化硅mos的发展瓶颈   综合各种报道,难题不在芯片的原理设计,特别是芯片结构设计解决好并不难。难在实现芯片结构的制作工艺。当然对于用户最直接的原因是,SiC MOSFET 的价格相当昂贵,限制了它的普及。   举例如下:   1碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一种肉眼都可以看得见的宏观缺陷,在碳化硅晶体生长技术发展到能彻底消除微管缺陷之前,大功率电力电子器件就难以用碳化硅来制造。尽管优质晶片的微管密度已达到不超过15cm-2 的水平。但器件制造要求直径超过100mm的碳化硅晶体,微管密度低于0.5cm-2 。   2外延工艺效率低。碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题,温度不能太高,一般不能超过1800℃,因而生长速率较低。液相外延温度较低、速率较高,但产量较低。   3掺杂工艺有特殊要求。如用扩散方法进行惨杂,碳化硅扩散温度远高于硅,此时掩蔽用的SiO2层已失去了掩蔽作用,而且碳化硅本身在这样的高温下也不稳定,因此不宜采用扩散法掺杂,而要用离子注入掺杂。如果p型离子注入的杂质使用铝。由于铝原子比碳原子大得多,注入对晶格的损伤和杂质处于未激活状态的情况都比较严重,往往要在相当高的衬底温度下进行,并在更高的温度下退火。这样就带来了晶片表面碳化硅分解、硅原子升华的问题。目前,p型离子注入的问题还比较多,从杂质选择到退火温度的一系列工艺参数都还需要优化。   4欧姆接触的制作。欧姆接触是器件电极引出十分重要的一项工艺。在碳化硅晶片上制造金属电极,要求接触电阻低于10- 5Ωcm2,电极材料用Ni和Al可以达到,但在100℃ 以上时热稳定性较差。采用Al/Ni/W/Au复合电极可以把热稳定性提高到600℃、100h ,不过其接触比电阻高达10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化硅的欧姆接触比较难。   5配套材料的耐温。碳化硅芯片可在600℃温度下工作,但与其配套的材料就不见得能耐此高温。例如,电极材料、焊料、外壳、绝缘材料等都限制了工作温度的提高。   以上仅举数例,不是全部。还有很多工艺问题还没有理想的解决办法,如碳化硅半导体表面挖槽工艺、终端钝化工艺、栅氧层的界面态对碳化硅MOSFET器件的长期稳定性影响方面,行业中还有没有达成一致的结论等,大大阻碍了碳化硅功率器件的快速发展。   结语   借鉴各类科技发展经验,凡事都有一个自己的发展规律。例如晶闸管上世记五十年代在我国出现,用于电气控制,受到各行各业欢迎,但并不一帆风顺。先是可控硅热,后因设计原理没有彻底搞清,产品故障频发,社会出现了“可怕硅”的恐惧。经过努力,下定决心克服难题,迎来了晶闸管的普及使用。所以,碳化硅功率器件的发展也不可能出现短期的飞跃要有个过程。  
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