碳化硅功率器件近年来越来越广泛应用于工业领域,不断地推陈出新,作为一种新型功率器件,与传统的硅基功率器件相比,在某些特定条件下具有独特的优势,但也存在一定的不足,似乎对于碳化硅元器件的普及还有一些技术难题。
1、SiC MOS对比硅器件的优势和特点
SiC MOS对比IGBT:IGBT作为双极型器件,漂移层内注入空穴作为少数载流子,大幅降低了器件的导通电阻,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 MOS由于材料特性其击穿场强远高于硅,故不需要很厚的漂移区厚度就可以实现高耐压和低阻抗,而且SiC MOS是单极型器件,原理上不产生尾电流,所以用SiC MOSFET替代IGBT时,在IGBT不能工作的高频条件下驱动,明显地减少开关损耗,并且实现散热部件的小型化。
低导通电阻(Rdson):在高压器件中漂移区的导通电阻在器件总导通电阻所占比重很大,SiC MOS不需要很厚的漂移区厚度就可以实现高耐压,可以显著降低漂移区的导通电阻。另一方面器件的导通电阻和芯片面积成正比,相比SJ‐MOSFET,SiC MOS实现同样的导通电阻其芯片面积甚至可以减小10倍以上。
门极驱动电压:SiC MOS由于沟道迁移率较低,通常使用15V以上的电压驱动工作,沟道内流通数安培电流也需要8V以上的门驱动电压,具有和IGBT相当的防误触发能力。
开启特性(Turn-On):SiC MOS 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,Si FRD 和Si MOS性能存在偏差,从而产生很大的损耗,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,SiC MOS的体二极管Vf 与碳化硅二极管相同,具有相当的快速恢复性能,可以减少Turn-on 损耗(Eon)好几成。
关断特性(Turn-Off):SiC MOS原理上不会产生如IGBT中经常见到的尾电流,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。另外,由于较大的开关损耗引起的发热会致使结温(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 MOS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。
体二极管的 Vf 和逆向导通:与Si MOS一样,SiC MOS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 MOS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。当Si MOS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 MOS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。
体二极管的恢复特性:SiC MOS的体二极管由于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。
2、SiC MOS的技术难点
栅极氧化层可靠性问题:SiC MOS器件的栅氧化层界面存在与缺陷有关的杂质,与Si MOS相比,现阶段SiC MOS栅极氧化物中的非本征缺陷密度要高得多。这些外在的缺陷使栅极氧化层发生细微的变形,致使局部氧化层变薄。有些变形可能源自于EPI或衬底缺陷、金属杂质、颗粒,或在器件制造过程中掺入到栅极氧化层中的其他外来杂质,从而使得SiC MOS出现更高的早期失效概率。
SiC MOS 衬底defect问题:SiC衬底通常会存在大量的微管(MPD)、螺型位错(TSD)、刃型位错(TED)、基面位错(BPD)和堆垛层错(SF)等缺陷。在同样衬底缺陷密度时,SiC MOS的芯片尺寸越大,其芯片良率和可靠性就越低。当缺陷密度为1.69个/cm2时,4mm×4mm芯片的良率可以达到87%,而10mm×10mm芯片的良率就会掉到49%左右,亟需要进一步降低衬底位错,尤其是对器件性能影响较大的TSD和BPD。
配套材料的耐温问题: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。