在TechInsights早前发布的文章《3.3kV SiC准备好成为主流了吗？》中，我们讨论了功率半导体市场在过去几年中是如何发展的，从第一个商用3.3 kV碳化硅(SiC) SiC MOSFET (在TechInsights发布的SiC power Floorplan报告中分析的GeneSiC G2R120MT33J[1])到2023年主流市场接受的风口浪尖。我们邀请了PGC咨询公司的Peter Gammon教授来谈谈他对这项技术在未来十年的发展前景的最新看法。
SiC在高压下的优势
SiC的最大优点是，仅5 μm的薄漂移区域可以阻挡650 V，这意味着在该电压范围内，快速开关MOSFETs可以取代较慢开关的硅绝缘栅双极晶体管(IGBTs)。如此薄的一层的电阻很小，以至于一个小于20平方毫米的晶片可以额定到远高于100安培。尽管如此，我们还没有看到许多额定电流更高(≥200安培)的晶片的推出，因为大型SiC晶片的良率很差——较大的晶片更有可能驻留在杂散微管或基面缺陷上，这可能会破坏其操作。因此，在大多数应用中，我们仍然看到大部分的低额定器件并联连接。
当SiC扩大规模开始应用于太阳能逆变器、重型运输、储能和高速列车等高压应用时，挑战出现了——电阻呈指数级增长。阻挡3.3 kV所需的30µm漂移区域的比电阻(毫欧平方厘米)大约是650 V器件的42倍。这意味着要制造额定功率为80 mOhm的设备，（根据TechInsights的SiC电源平面图报告中分析的Microchip器件(MSC080SMA330) [2]），它需要比相同额定值的650 V器件大得多(约8倍)。
我们希望将SiC扩展到更高的电压，但电阻和器件面积的持续指数缩放（exponential scaling）是不可持续的。大型MOSFET的电容开始对开关性能产生影响——这是开始使用单极器件的主要原因-而具有任何合理额定电流的MOSFET的良率将非常差。
考虑SiC和硅之间的相似性。在SiC中，30µm的漂移区域将阻断3.3 kV，而在硅功率器件中，30µm的漂移区域将阻断400 V。在这个电压下，硅MOSFET开始与超结(SJ) MOSFET和IGBT重叠。因此，在一个成熟的SiC器件频谱中，从现在起十年或更长时间，3.3 kV将是其他器件拓扑开始重叠的电压：SiC SJ MOSFETs, IGBTs以及更高电压(15kv或更高)的晶闸管。
这些器件的优点是电流密度，每个器件都采用一种技术(SJ中的电荷平衡和IGBT/晶闸管中的电导率调制)，可以增加通过单位面积SiC的电流。这种优势的代价是增加了转换损失。然而，考虑到≥3.3 kV的应用大多是电网应用，限制了非常慢的开关速度，这是一个非常可接受的权衡。
AdvanSiC项目
在2023年1月启动的欧盟资助的AdvanSiC项目中，一个由欧洲顶级SiC研究机构和多家创新公司组成的联盟正在共同开发下一代SiC器件。一个由华威大学和那不勒斯大学、卡塔尼亚CNR-IMM、MQ-Semi和ASM组成的团队正在使用创新的器件设计和工艺，合作研究和生产额定3.3-10 kV的器件。
这些设计包括SJ二极管(图1)和MOSFET，通过植入到深沟槽侧壁中形成。传统的硅SJ制造，包括许多生长、植入和扩散循环，这在SiC中是不可能的，因为任何掺杂剂在SiC中的停止距离都很浅，这种昂贵的外延植入过程需要重复10-30次，这取决于器件的等级。
图1：采用沟槽刻蚀和侧壁注入形成具有电荷平衡柱的SiC二极管
AdvanSiC将通过开发3.3kV SiC SJ的制造工艺来克服这些工艺限制，该工艺包括深沟槽蚀刻和侧壁植入。在p柱之间实现的电荷平衡同时支持高电压，同时也提供了从阳极到阴极的低电阻路径。
这种方法类似于ROHM在其最新的第4代设计中使用的电荷平衡，正如TechInsights在2022年首次观察到的那样(罗姆第4代：技术回顾)。然而，ROHM的沟槽只有1µm深，在沟槽的侧壁和底部植入了p型植入物，它们允许一个非常高掺杂(低电阻)的JFET区域和智能栅氧化保护。
在AdvanSiC的其他领域将探索快速外延生长的基本原理，以降低超高压器件中的主要成本。由项目合作伙伴MQ-Semi开发的可选栅极设计，即奇点源MOS单元(S-MOS)，将为MOS接口提供一种新的低电阻、超高效的替代方案。
展望
1.7 kV以上SiC器件的前景是光明的，具有革命性的应用潜力，如工业驱动，机车牵引和并网系统。迄今为止发布的少数商用器件使用标准平面栅极布局。我们可以预期，这些设备在未来几年将发生重大变化；3.3 kV器件可能是一个完整的SiC SJ器件有意义的点。学术研究正在为这些器件的开发铺平道路。
References:
[1]报告- GeneSiC G2R120MT33J 3300V 120 mΩ SiC MOSFET Power Floorplan Analysis: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/analysis/a6pf3000000Cg8IAAS/analysis-view/PFR-2102-801#sidebar=true
[2] 报告-Microchip Technology MSC080SMA330 SiC MOSFET Power Floorplan Analysis: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/analysis/a6pf3000000Cg8IAAS/analysis-view/PFR-2205-802#sidebar=true
来自： TechInsights
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