絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)是一種顛覆性的功率晶體管，于 20 世紀 80 年代初首次實現商業化，對電力電子行業產生了巨大的積極影響，實現了創新的轉換器設計、提高了系統效率并節省了全球能源。事實上，一些估計表明，IGBT 在過去 25 年中幫助減少了 75 萬億磅的二氧化碳排放 [1]。

　　如今，IGBT 寬帶隙半導體碳化硅 (SIC)顯示出再次徹底改變電力電子領域的希望。IGBT 為我們提供了一種晶體管，它既能夠阻斷高電壓，又具有低通態(即傳導)損耗和良好控制的開關。然而，該器件的開關速度有限，這會導致高開關損耗、龐大而昂貴的熱管理以及電源轉換系統效率的上限。SiC 晶體管的出現消除了 IGBT 的開關損耗，但具有類似的通態損耗(實際上，在輕載時更低)和電壓阻斷能力，除了減少系統的整體重量和尺寸外，還實現了前所未有的效率。

　　然而，與大多數顛覆性技術一樣，商用 SiC 功率器件的發展也經歷了一條坎坷之路。本文旨在介紹 SiC MOSFET的發展背景，并簡要介紹該器件的發展歷史，介紹其當前的技術優勢和未來的商業前景。

　　碳化硅或SiC的歷史

　　自 20 世紀 70 年代以來，人們就開始研究 MOSFET 等與器件相關的 SiC 材料，但 SiC 在功率器件中的應用直到 1989 年才正式提出 [2]。Baliga 的品質因數激勵了有抱負的材料和器件科學家繼續推進 SiC 晶體生長和器件加工技術。

　　20 世紀 80 年代末，世界各地都在大力改進 SiC 襯底和六角形 SiC 外延的質量(這是垂直 SiC 功率器件所必需的)，日本的京都大學和 AIST、俄羅斯的約菲研究所、歐洲的埃爾朗根和林雪平大學、美國的紐約州立大學石溪分校、卡內基梅隆大學和普渡大學等機構都在努力改進 SiC 襯底和六角形 SiC 外延的質量。改進工作持續了整個 20 世紀 90 年代，直到 2001 年英飛凌推出了第一款商用器件，即 SiC 肖特基二極管。

　　在推出后的幾年里，SiC 肖特基二極管經歷了現場故障，其原因可追溯到材料質量和器件結構。在提高襯底和外延質量方面取得了快速而顯著的進展;同時，使用了一種稱為結勢壘肖特基 (JBS) 的二極管結構，可以更優化地分布峰值電場。

　　2006 年，JBS 二極管演變為現在所謂的合并 pn 肖特基 (MPS) 結構，該結構保持了最佳場分布，同時通過結合真正的少數載流子注入，還允許增強浪涌能力 [3]。如今，SiC 二極管非常可靠，以至于它們已經表現出比硅功率二極管更有利的 FIT 率 [4]。

　　MOSFET 替代品

　　2008 年，首款 SiC 功率晶體管以1200 V 結型場效應晶體管(JFET)的形式投放市場。SemiSouth Laboratories 采用了 JFET 方法，因為當時雙極結型晶體管 (BJT) 和 MOSFET 替代品存在一些被認為無法克服的障礙。盡管 BJT 的單位有效面積電流值令人印象深刻，但該器件有三個主要缺點：

　　首先，許多習慣于使用電壓控制器件(如 MOSFET 或 IGBT)的設計人員不贊成切換 BJT 所需的大電流。

　　其次，BJT 的驅動電流通過具有較大內置電位的基極-發射極結進行傳導，從而導致大量功率損耗。

　　第三，由于 BJT 的雙極性作用，它特別容易受到一種稱為雙極性退化的器件損壞現象的影響 [5]。

　　另一方面，JFET 受到常閉 JFET 的限制，這可能會嚇跑許多電力電子設計師和安全工程師。當然，可以繞過這一點進行設計，但簡單性和設計優雅性是工程界被低估的優點。SemiSouth 也有一個常閉 JFET，但事實證明，它很難批量生產。

　　如今，USCi, Inc. 提供一種常開型 SiC JFET，它與低壓硅 MOSFET 一起封裝在級聯配置中 [6]，這是適用于許多應用的優雅解決方案。盡管如此，由于 MOSFET 在控制方面與硅 IGBT 相似，但具有上述性能和系統優勢，因此 SiC 功率器件的圣杯一直是 MOSFET。

　　SiC MOSFET 的演變

　　SiC MOSFET 存在很多問題，其中大部分都與柵極氧化物直接相關。1978 年，科羅拉多州立大學的研究人員測量了純 SiC 和生長的 SiO2 之間的混亂過渡區，首次發現了問題的跡象 [7]。眾所周知，這種過渡區具有高密度的界面態和氧化物陷阱，會抑制載流子遷移率并導致閾值電壓不穩定;后來有太多研究出版物證明了這一點。

　　許多 SiC MOSFET 研究界的研究人員在 20 世紀 80 年代末和 90 年代進一步研究了 SiC-SiO2 系統中各種界面態的性質。

　　20 世紀 90 年代末和 21 世紀初的研究顯著提高了人們對界面態(其密度縮寫為 Dit)來源的理解，以及減少界面態和減輕其負面影響的方法。以下是一些值得注意的發現，在濕環境中氧化(即使用 H2O 作為氧化劑而不是干燥的 O2)可使 Dit 降低兩到三個數量級 [8]。

　　此外，研究發現，使用離軸襯底可將 Dit 降低至少一個數量級 [9]。最后，Li 等人于 1997 年首次發現一氧化氮中的后氧化退火(通常稱為氮化過程)可將Dit降低至非常低的水平 [10]。隨后，其他六七個研究小組也證實了這一點，Pantelides 在論文中對這一系列工作進行了很好的總結 [11]。當然，如果不強調體生長和晶圓研究界的開創性貢獻，那將是一個嚴重的遺漏，正是他們使我們從單純的 Lely 片狀晶圓發展到幾乎沒有會毀掉器件的微管的 150 毫米晶圓。

　　在接下來的幾年里，SiC MOSFET 的已發表研究進展有所放緩，因為滿懷希望的供應商正忙于開發他們想要商業化的進展。然而，最終改進的階段已經準備就緒，旨在進一步提高閾值電壓穩定性以及工藝改進和篩選，以確保可靠的柵極氧化物和完成器件鑒定。從本質上講，SiC 社區越來越接近找到圣杯。

　　當今的 MOSFET 質量

　　在過去的兩年中，商用的 1200 V SiC MOSFET 在質量方面取得了長足進步。溝道遷移率已上升到合適的水平;氧化物壽命已達到大多數主流工業設計可接受的水平，閾值電壓也變得越來越穩定。

　　從商業角度來看，同樣重要的是，這些里程碑已被多家供應商實現，其重要性留待后文討論。在這里，我們證實了當今 SiC MOSFET 質量的主張，包括長期可靠性、參數穩定性和設備堅固性。

　　利用加速時間相關電介質擊穿 (TDDB) 技術，NIST 的研究人員預測 Monolith Semiconductor 的 MOS 技術的氧化物壽命將超過 100 年，即使在結溫高于 200°C 的情況下也是如此 [12]。

　　NIST 的工作使用了氧化物上施加的電場(大于 9 MV/cm)和結溫(高達 300 °C)的壽命加速因子;作為參考，實際使用的氧化物電場約為 4 MV/cm(對應于 VGS = 20 V)，工作期間的結溫通常低于 175 °C。還值得注意的是，雖然溫度相關的加速因子在硅 MOS 中很常見，但在 NIST 使用 Monolith Semiconductor 的器件之前，他們從未在 SiC MOS 中看到過這種加速因子。

　　接下來，閾值電壓穩定性已得到令人信服的證明，如圖 1 所示。高溫柵極偏置(HTGB) 在結溫為 175 °C 且柵極電壓為負 (VGS = -10 V) 和正 (VGS = 25 V) 時進行。根據 JEDEC 標準，對來自三個不同晶圓批次的 77 個器件進行了測試，未觀察到任何顯著偏移。

　　結論

　　硅 IGBT 在 20 世紀 80 年代對電力電子界產生了巨大的積極影響，自此以后一直是該行業的主力。下一項革命性技術將是 SiC MOSFET。

　　SiC MOSFET 的現狀表明，其主要商業障礙已得到解決，包括價格、可靠性、耐用性和供應商多樣化。盡管 SiC MOSFET 的價格高于 Si IGBT，但由于成本抵消的系統級優勢，SiC MOSFET 已經取得成功;隨著材料成本下降，該技術的市場份額將在未來幾年大幅增加。經過四十多年的開發努力，SiC MOSFET 終于有望獲得廣泛的商業成功，并在綠色能源運動中發揮重要作用。

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