來(lái)源：凌銳半導(dǎo)體

SiC MOS憑借其性能優(yōu)勢(shì)為越來(lái)越多的行業(yè)，如儲(chǔ)能，充電樁，光伏逆變器所采用。特別是在采用800V電池系統(tǒng)的新能源車中1200V SiC MOS是主驅(qū)逆變器和車載充電的最佳選擇。本文通過(guò)對(duì)比Si，4H-SiC和GaN的材料特性，系統(tǒng)的闡述SiC MOS卓越性能的材料本源。

參見(jiàn)圖一對(duì)于平面MOS來(lái)說(shuō)其導(dǎo)通電阻主要由三部分組成，即溝道電阻（Rch）, 器件外延層電阻 （Repi）和襯底電阻Rsub。其中器件外延層電阻和器件耐壓有著強(qiáng)相關(guān)的關(guān)系。表一列出30V，100V和600V Si 平面MOS Rch，Repi和Rsub的相對(duì)貢獻(xiàn)。針對(duì)30V MOS Rch，Repi和Rsub三者各自占比在30%-35%之間。隨著器件耐壓增加，器件外延層厚度需要增加與此同時(shí)需要降低外延層的摻雜濃度，從而使得器件能承受目標(biāo)耐壓；這導(dǎo)致器件外延層電阻貢獻(xiàn)顯著增加。以600V Si平面MOS為例，外延層電阻Repi對(duì)整個(gè)器件的電阻貢獻(xiàn)達(dá)到96%。因此如何優(yōu)化器件減少導(dǎo)通電阻一直是Si基功率器件發(fā)展的主旋律之一。

針對(duì)300V以下的Si MOS，工業(yè)界首先商業(yè)化Si 溝槽型MOS (Si Trench MOS) 用來(lái)降低器件的導(dǎo)通電阻，在此基礎(chǔ)上行業(yè)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出Si SGT MOS (Si Shield Gate Trench MOS) 來(lái)進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)損耗。目前業(yè)界300V以下的高性能MOS基本為Si SGT MOS。針對(duì)500V – 950V的功率器件，陳星弼院士提出的超級(jí)結(jié)MOS （SJ MOS）為英飛凌以CoolMOS品牌發(fā)揚(yáng)光大且相應(yīng)技術(shù)平臺(tái)已經(jīng)發(fā)展到第八代。Si SJ MOS 能顯著降低器件的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，已廣泛應(yīng)用在服務(wù)器電源，通訊電源，和PC電源等各類電源應(yīng)用中。與此同時(shí)采用IGBT結(jié)構(gòu)的功率器件在500V - 950V電壓段也有自己的一席之地。相對(duì) Si SJ MOS, Si IGBT開(kāi)關(guān)損耗大但成本低，主要用在低頻類（電機(jī)）應(yīng)用中。隨著IGBT 技術(shù)的不斷演進(jìn)，Si IGBT的開(kāi)關(guān)損耗得到顯著的改進(jìn)，已逐步滲透進(jìn)入OBC，充電樁等高效率電源類應(yīng)用。針對(duì)1200V - 6500V電壓等級(jí)的功率器件，采用IGBT結(jié)構(gòu)是Si 基功率器件的第一選擇。

采用4H-SiC作為制造功率器件的材料則徹底打破了這種格局，4H-SiC相對(duì)Si的特有材料屬性使得SiC MOS成為新型功率器件的最佳選擇之一。表二對(duì)比了Si, 4H-SiC和 GaN的材料特性，相對(duì)于GaN，4-SiC的最大優(yōu)勢(shì)是：在4H-SiC上可以直接通過(guò)熱氧化（thermal oxidation）生長(zhǎng)SiO2（優(yōu)勢(shì)一）和散熱能力強(qiáng)（優(yōu)勢(shì)二）。優(yōu)勢(shì)一使得用SiC作為材料制造MOS結(jié)構(gòu)的功率器件成為可能，且制造SiC MOS所用工藝可以和現(xiàn)有大部分Si工藝相兼容。SiC 散熱能力 (熱導(dǎo)率) 是Si和GaN的3.3和2.5倍左右（優(yōu)勢(shì)二），這讓SiC 功率器件特別較適合大功率應(yīng)用。4H-SiC電子漂移飽和速度Vsat為Si材料的2.2倍，讓SiC器件可以更快進(jìn)行開(kāi)關(guān)，且在同樣時(shí)間內(nèi)流過(guò)單位面積的電流更多，從而顯著降低導(dǎo)通電阻。

4H-SiC相對(duì)于Si材料的另外兩大優(yōu)勢(shì)為：Ec和Eg 分別是Si的9.3和2.9倍。這兩大優(yōu)勢(shì)讓SiC MOS 特別適合高功率，高溫和高頻應(yīng)用。本文以下篇幅重點(diǎn)介紹Eg和Ec對(duì)功率器件的意義和對(duì)應(yīng)用的價(jià)值。

Ec對(duì)功率器件和應(yīng)用的價(jià)值

參見(jiàn)圖一對(duì)于N型MOS來(lái)說(shuō)，其Body為P型摻雜 (P body)，外延層為N型摻雜（N EPI）。P body和N EPI形成MOS體二級(jí)管。參見(jiàn)圖二(a) 和 (b)，MOS關(guān)閉時(shí)P body區(qū)域形成很薄的帶負(fù)電的耗盡層，N EPI形成帶正電的耗盡層, N EPI區(qū)域的耗盡層厚度遠(yuǎn)大于P body 區(qū)域的耗盡層。PN耗盡層形成的電場(chǎng)分布參見(jiàn)圖二(c)，最大電場(chǎng)介于PN結(jié)界面，三角形面積的大小代表器件承受的電壓，最大電場(chǎng)不能超過(guò)材料的臨界擊穿電場(chǎng)Ec。由此可見(jiàn)，器件的耐壓基本上由Ec和在器件外延層形成的耗盡層厚度ddepletion決定。根據(jù)半導(dǎo)體器件物理，有公式1-3：

在公式（1）-（3）中，q為電子電荷，ε0為真空介電常數(shù)εr為材料相對(duì)介電常數(shù)，un為材料的電子遷移率，Ec為材料的臨界擊穿電場(chǎng)，Vbr為器件耐壓。Si和SiC的相對(duì)介電常數(shù)比較接近分別為11.8和 9.7-10.2，Si和SiC的電子遷移率分別為1400cm2/Vs和1000-1200cm2/Vs，而SiC 的Ec是硅材料的9.3倍。參見(jiàn)公式（1）和（3），在同樣的器件耐壓下采用SiC做為器件外延層可顯著增加器件外延層的摻雜濃度，與此同時(shí)大幅降低器件外延層的厚度。這讓SiC平面MOS相對(duì)Si平面MOS和 Si SJ MOS有著顯著的Rsp優(yōu)勢(shì)。

圖三對(duì)比了Si平面MOS， Si SJ MOS，和SiC MOS Rsp與器件耐壓的關(guān)系。由于SiC材料的Ec特性，采用平面MOS 結(jié)構(gòu)的SiC MOS Rsp性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Si平面MOS和SJ MOS，且SiC MOS性能整體優(yōu)于Si SJ MOS。以600V/650V MOS為例, 采用SiC MOS方案可以將3-4kW服務(wù)器電源整體效率提升至少0.5%。隨著AI的普及，AI服務(wù)器是傳統(tǒng)服務(wù)器用電量的3倍以上，采用SiC MOS是滿足AI服務(wù)器能效要求的最佳選擇。SiC MOS 體二級(jí)管的Qrr是Si快恢復(fù)系列SJ MOS Qrr 的10% 或更小。這使得SiC MOS體二級(jí)管非常皮實(shí)（Body diode robustness），可以用在軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)拓?fù)渖稀?/p>

IGBT關(guān)斷時(shí)存在拖尾電流，MOS則不存在。由于采用MOS而非IGBT結(jié)構(gòu)，SiC MOS開(kāi)關(guān)性能顯著優(yōu)于Si IGBT。以1200V SiC MOS和 Si IGBT 來(lái)說(shuō)，SiC MOS的開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)Si IGBT 可降低近70%, 整體性能提升60%以上。這對(duì)實(shí)際應(yīng)用有著具體的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，如采用SiC MOS作為主驅(qū)控制器功率器件，可將整車?yán)m(xù)航里程提升近10%。在充電樁和儲(chǔ)能應(yīng)用采用SiC MOS可提升系統(tǒng)效率近2%，整機(jī)功率密度提升近30%。

Eg對(duì)功率器件和應(yīng)用的價(jià)值

從材料學(xué)的角度沒(méi)有摻雜的半導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體，本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電，其本征電子密度和空穴密度（本征載流子密度）相同，且和溫度及材料禁帶寬度有著強(qiáng)相關(guān)的關(guān)系。本征半導(dǎo)體的電子和空穴濃度（既本征載流子濃度）為：

在公式（4）中，Eg為材料禁帶寬度，C和為常數(shù)，[K]表示溫度單位開(kāi)爾文。當(dāng)對(duì)本征半導(dǎo)體進(jìn)行N型（或P型）摻雜時(shí)，自由電子濃度和自由空穴濃度不再相等，本征半導(dǎo)體變成N型(電子導(dǎo)電)或P型（空穴導(dǎo)電）半導(dǎo)體進(jìn)行導(dǎo)電。正常工作時(shí)載流子濃度為N或P型摻雜濃度（Nd/Na）, 且遠(yuǎn)大于材料的本征載流子密度。

任何功率半導(dǎo)體器件都有穩(wěn)定的工作溫度區(qū)間，在這個(gè)穩(wěn)定工作區(qū)間內(nèi)材料的載流子密度為材料的摻雜濃度。半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定工作區(qū)間與溫度以及材料禁帶寬度有著強(qiáng)相關(guān)的關(guān)系。參見(jiàn)圖4(a），在低溫時(shí)半導(dǎo)體摻雜原子的電子（空穴）無(wú)法得到足夠的能量而離開(kāi)摻雜原子進(jìn)行導(dǎo)電；在此情況下自由電子密度和自由空穴密度相同，材料為絕緣體。當(dāng)溫度足夠高時(shí)，摻雜原子失去電子或空穴，載流子密度為摻雜密度。隨著溫度的升高，本征載流子密度增加，在某個(gè)溫度范圍內(nèi)本征載流子密度遠(yuǎn)低于材料摻雜密度，本征載流子的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)半導(dǎo)體穩(wěn)定工作。而當(dāng)溫度足夠高時(shí)，本征載流子密度接近或大于摻雜密度，半導(dǎo)體不再能夠穩(wěn)定工作。

圖4（b）顯示了SiC和Si兩種材料本征載流子密度隨溫度的變化, 由于SiC Eg是Si的2.9倍，這使得SiC材料本征載流子密度在同樣溫度下遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Si材料的本征載流子密度。在不考慮封裝等外部因素的影響下，N型Si材料在接近400攝氏度時(shí)。本征載流子密度已經(jīng)和摻雜密度接近，器件無(wú)法正常工作。而對(duì)SIC材料來(lái)說(shuō)，即使是溫度達(dá)到1000攝氏度時(shí)，本征載流子密度還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料摻雜濃度，SiC器件還能正常工作。

綜上所述，SiC材料的Ec特性（Ec是Si的9.3倍）使得耐壓等級(jí)不低于600V 的SiC平面MOS有著極優(yōu)的導(dǎo)通電阻，在SiC上能夠熱氧化生長(zhǎng)SiO2讓大規(guī)模制造基于SiC材料的 MOS成為可能；其Eg特性（Eg是Si的2.9倍）讓SiC MOS 在高溫應(yīng)用中能穩(wěn)定工作；而其卓越的導(dǎo)熱特性（導(dǎo)熱率是Si的3.3倍）讓SiC MOS非常適合大功率應(yīng)用；SiC電子遷移飽和速度特性（Vsat是Si的2.2倍）進(jìn)一步助力SiC MOS在高頻上的應(yīng)用，這些材料特性的加持使得SiC MOS在高頻，大功率，和高溫應(yīng)用中有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

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審核編輯 黃宇