硅碳化物(SiC)技术的进化：平面与沟槽结构的对比与应用 - 电力元件展

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硅碳化物(SiC)是一种由硅(Si)和碳(C)组成的化合物半导体。SiC可以通过氮或磷进行n型掺杂，或通过铍、硼、铝或镓进行p型掺杂。SiC被称为宽带隙材料，广泛应用于半导体行业，能够在高温和高电压下工作。SiC的带隙大于2.2 eV。

SiC通过切割单晶制成晶圆，通常使用金刚石线锯或激光切割。在电源电子应用中，与传统硅相比，SiC具有多种优势，具体如下：

·热导率高出3倍(SiC：4.9 W/cm·K，对比Si：1.5 W/cm·K)

·击穿场强高出10倍(SiC：2.2 MV/cm，对比Si：0.3 MV/cm)

·带隙高出3倍(SiC：3.3 eV，对比Si：1.1 eV)

使用SiC相比于Si，具有更高的价带和导带之间的能量差，这导致相对较低的前向导通损耗和开关损耗、更高的允许芯片温度以及优于硅的热导率。

本文将描述两种半导体结构：第一种是平面型结构，第二种是沟槽型结构，并提及这两种技术之间的一些区别。

什么是平面技术，谁在使用平面

平面工艺是半导体行业中用于制造晶体管各个独立组件并将其连接起来的制造工艺。这是构建硅集成电路芯片的主要过程，也是制造半导体器件时最常用的结区生产方法。该过程采用表面钝化和热氧化的方法。

在MOSFET的平面结构中，栅极和沟道区域位于半导体表面，如图1所示。

图1

制造平面半导体的一些公司包括ABB、onsemi和Navitas Semiconductor。

表1：电力电子领域中平面主要参与者

ABB提供其平面软穿透(SPT)绝缘栅双极晶体管(IGBT)技术，与标准技术相比，SPT具有显著较低的损耗和更高的安全工作区(SOA)能力。SPT+ IGBT的性能通过改进的平面单元设计与在SPT技术中已经优化的垂直结构相结合而实现。

onsemi在2023年1月3日推出了其硅碳化物(SiC)系列的产品“EliteSiC”。该系列的一个成员是适用于切换应用的1700 V EliteSiC MOSFET(NTH4L028N170M1)。此EliteSiC系列使用平面技术，并在20 V栅极驱动时提供最佳性能，但在18 V栅极驱动下也能良好工作。

Navitas Semiconductor于2022年8月15日宣布收购GeneSiC Semiconductor，这是一家硅碳化物(SiC)制造商，专注于SiC功率器件的设计和工艺。在GeneSiC的产品组合中，有一些新一代沟槽辅助平面SiC MOSFET。沟槽辅助平面技术使得其RDS(ON)在温度变化时的增加极小，从而在整个工作范围内实现最低的功率损耗，并在高温实际操作中提供比竞争对手低20%的RDS(ON)。

什么是沟槽技术，谁在使用沟槽?

与沟槽IGBT相似，在沟槽MOSFET中，绝缘栅板和沟道区域是垂直排列的。在沟槽结构中，晶圆表面刻有沟槽，电极嵌入这些沟槽中。

沟槽结构有多种制造工艺。其中一种工艺是博世(Bosch)开发的深反应离子刻蚀(DRIE)技术，该技术可在晶圆中创造深度侵入、陡峭的孔和沟槽。高效DRIE的两种主要技术是低温(cryogenic)和博世工艺。通过结合博世和低温工艺，可以制造出90°的墙壁，但有时这些墙壁的角度略微倾斜，约为88°或92°。

博世指出，其DRIE沟槽的性能使其在硅微电机械系统(MEMS)生产中处于领先地位。

图2展示了博世的沟槽横截面。

图2

一些制造沟槽结构功率电子模块、半导体或MEMS的公司包括ABB、博世、英飞凌科技、富士电机、三菱电机、Semikron Danfoss和onsemi。

表2：电力电子领域的关键参与者

博世以其使用沟槽结构的SiC半导体在市场上展开竞争，其产品组合包括BT1M和BT2M系列硅碳化物开关。BT1M120系列使用SiC开关，支持最高1200 V的电压。BT1M120具备双通道沟槽栅技术，以降低RDS(on) · A。

英飞凌科技公司推出了下一代SiC MOSFET沟槽技术，包括两种类别的产品，如SiC MOSFET分立器件和SiC MOSFET模块。CoolSiC™ MOSFET具有高效率和最佳可靠性，并可提供650 V、1200 V、1700 V和2000 V电压等级的分立封装和模块。SiC MOSFET功率模块有多种拓扑结构，如三电平、四包、半桥、六包和助推器配置。

使用CoolSiC MOSFET的一个优势是沟槽结构，由于缺陷较少，显示出显著更高的沟道导电性，优于4H-SiC硅面上的平面沟道。

平面与沟槽技术的主要区别是什么?

平面结构与沟槽结构之间的主要区别之一在于栅极或沟道位置。在平面结构中，栅极水平位于半导体表面，而在沟槽结构中，栅极垂直排列于晶圆表面，电极嵌入这些沟槽中。

平面和沟槽之间的另一个区别是，基于沟槽的SiC MOSFET的特定导通电阻低于传统的平面MOSFET。

半导体或电力电子制造商指出沟槽与平面SiC技术之间的主要区别如下：

· 三菱电机指出，其沟槽SiC-MOSFET的晶体管单元比平面型小，使得更多的单元能够排列在单一芯片上。该公司表示，其沟槽SiC MOSFET的特定导通电阻比平面MOSFET低50%。

· 富士电机以其独特的沟槽结构实现了特定电阻(3.5 mΩ·cm²)，阈值电压为5 V，同时保持“通道”的高可靠性。该公司声称与早期的平面结构相比，特定电阻降低了50%。

· 英飞凌表示，其新的分隔栅沟槽技术相较于现有设计(如平面和第一代沟槽MOSFET)提供了明显的优势。这些优势包括改善的RDS(on) · 有效面积和降低的栅-漏电容。

· ABB指出，其3300 V HiPak2中使用的“基于沟槽的IGBT”在较高电压下表现出较高的有效栅极输入电容，相比于平面IGBT，这导致在IGBT导通期间对最佳开关性能的可控性降低。

结论

硅碳化物(SiC)在半导体和电力电子行业中具有多重应用的挑战性机遇，例如电动汽车、可再生能源等。许多关键参与者，如ABB、Semikron、Wolfspeed、英飞凌、三菱和Navitas半导体，正在研发基于SiC的产品。

MOSFETs或IGBTs等半导体可以通过平面或沟槽结构制造。沟槽结构的技术能力优于平面，其基于沟槽的MOSFET特定电阻比早期的平面结构降低超过50%，新一代第四代SiC MOSFET的导通电阻比第三代降低了40%。这些器件可用于光伏逆变器、能源存储系统、电动汽车充电、供电、马达驱动等

    文章来源：浮思特科技

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