碳化硅半导体技术及产业发展现状

碳化硅半导体（这里指4H-SiC）是新一代宽禁带半导体，它具有热导率高（比硅高3倍）、与GaN晶格失配小（4％）等优势，非常适合用作新一代发光二极管（LED）衬底材料、大功率电力电子材料。

碳化硅半导体

虽然对于电机控制和其他高要求的应用场合,碳化硅仍需进一步发展,但是它能提供良好的热导率、10倍的功率密度和明显比标准硅晶体管更高的开关频率。

碳化硅半导体SiC在功率器件领域的应用

以碳和硅组成的化合物半导体碳化硅(Silicon Carbide)为材料制作的功率半导体器件,因其所具备的优异性能与先进性,多年来备受瞩目,已逐步渗透到生活中。本文分析了SiC肖特基二极管、SiC MOSFET、SiC功率模块,以及SiC的扩展产品IGBT和IPM的器件特性。

沟道迁移率全球最高的碳化硅半导体在日本问世

日本原子能研究所与独立行政法人产业技术综合研究所(以下简称产综研)，日前成功地联合开发出了采用碳化硅半导体底板的晶体管。作为晶体管性能指标的沟道迁移率(电子活动的难易度)。

半导体碳化硅在伪火花放电高能开关中的应用

伪火花放电开关 (PSS)的寿命主要由大电流下的电极烧损决定 ,其机理为金属电极产生的蒸汽电弧改变了原有均匀辉光放电所致。半导体碳化硅 (Si C)可以维持伪火花开关电极表面的均匀辉光放电 ,抑制电弧产生 ,使电极烧损大大减小 ,还解决了开关在小电流下奇异放电问题 (电流猝灭和暂态阻抗降低 )。简述了金属钼电极与 Si C电极的放电过程和特点后简要分析了 Si C电极抑制电弧的原理 。

200 V全碳化硅集成技术

本文提出了一种基于N衬底P外延晶圆的全碳化硅(Silicon Carbide,SiC)集成工艺平台,该工艺平台兼容低压互补金属氧化物半导体场效应晶体管(Complementary Metal Oxide Semiconductor field-effect transistor,CMOS)、横向扩散金属氧化物半导体(Laterally-Diffused MOS,LDMOS)以及高压二极管等器件.采用P型缓冲层技术调节器件垂直方向电场分布,使高压器件垂直方向耐受电压提高212.4%;在1μm厚度的P型缓冲层和1μm厚度的P型外延层上,实现LDMOS、高压二级管和高侧区域耐受电压大于300 V.基于该工艺平台,搭建了SiC CMOS反相器和反相器链电路,均实现了0~20 V轨至轨的电压输出;设计了半桥驱动电路,低压侧驱动电路由四阶反相器构成;高压侧驱动电路由电平移位电路和高侧区域反相器链电路组成,实现了180~200 V浮空栅极驱动信号输出.

承载使命 引领未来 天域团队为广东半导体产业添翼——专访东莞市天域半导体科技有限公司创新团队

自主研发核心技术9项、申请获得授权专利23项、发表国际论文40余篇……这是一个致力于第三代宽禁带碳化硅半导体外延材料及器件产业化的创新团队(以下简称天域创新团队),同时,她也是一个和谐共融、共同奋进的团队,她以推进我国碳化硅整体产业化为目标,以带动广东乃至我国电力电子技术变革为使命。今天,让我们走进第三代半导体碳化硅材料和器件研发及产业化创新科研团队,从他们的所思所想,透析我省创新团队引进的现状,以及未来新型半导体的产业化格局。

B^+注入隔离在宽禁带半导体中的应用

利用B^+离子注入实现宽禁带半导体的有源层隔离。通过Monte Carlo软件TRIM模拟,优化离子注入能量和剂量。在SiC MESFET中测量两组不同条件的样品及在GaN HEMT测量了三组同种条件的样品都得到了纳安级电流,表现了很好的隔离效果;通过测试表明离子注入隔离的器件相比台面隔离器件的击穿电压有一定程度提高。

碳化硅MOSFET并联技术研究

碳化硅功率器件具有更高的开关频率和耐压特性,为了提高碳化硅功率驱动的过流能力,同时降低引线电感,设计一个由4个碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)并联的驱动模块。详细介绍了栅驱动器原理、印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)布局以及静态和动态均流性能波形,通过分析验证了电阻等器件参数的差异对均流的影响。

国产碳化硅实现量产或将替代单晶硅

近日，我国自主研制的又一款4英寸高纯半绝缘碳化硅衬底产品面世。据报道，该碳化硅项目由是山东天岳研制而成的。中国电子材料行业协会组织的专家认为，该成果国内领先，已达到国际先进水平。此前，北京某企业与中科院合作，成功研制了从2英寸到6英寸的碳化硅衬底，完成了我国碳化硅半导体从无到有的过程。如今，我国第二家企业也实现了碳化硅材料大规模量产，标志着我国碳化硅材料发展逐渐走向成熟。

国内首批碳化硅外延晶片厦门投产

国内首批产业化3英寸和4英寸碳化硅半导体外延晶片在位于厦门火炬高新区的瀚天泰成电子科技（厦门）有限公司投产，并已接到首笔商业订单，填补了国内该领域空白。2013年，瀚天泰成还计划试生产6英寸规格的碳化硅外延品片；到2016年，将实现年产碳化硅外延晶片2万片，产值有望达到4．2亿元。

国产碳化硅实现量产或将替代单晶硅

近日，我国自主研制的又一款4英寸高纯半绝缘碳化硅衬底产品问世。据报道，该碳化硅项目由山东天岳研制而成的。中国电子材料行业协会组织的专家认为，该成果国内领先，已达到国际先进水平。此前，北京天科合达与中科院合作，成功研制了从2英寸到6英寸的碳化硅衬底，完成了我国碳化硅半导体从无到有的过程。如今，我国第二家企业也实现了碳化硅材料大规模量产，标志着我国碳化硅材料发展逐渐走向成熟。

全碳化硅大功率直流电源关键技术研究

碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件的耐压、频率和损耗等特性均优于硅(Si)器件,然而SiC器件抗冲击能力差、电磁干扰大,且SiC器件对整个功率变换系统的贡献尚缺乏分析验证,因此,采用全SiC器件研制高性能的大功率直流电源具有一定挑战。首先针对SiC器件抗冲击能力差的问题,引入嵌入式保护策略,应对直流电源外部冲击扰动和短路故障。其次,针对电磁干扰大的问题,设计了电磁干扰滤波器抑制传导干扰。最后,比较全Si C电源和传统全Si电源,以实验研究的方式验证功率器件使用SiC器件的技术优势。对全SiC大功率直流电源的关键技术进行全面研究和实验验证,为SiC半导体器件在大功率电能变换中的应用提供了有益参考,并为其优异性能提供坚实依据。

碳化硅MOSFET栅氧化层可靠性研究

通过TCAD仿真的方法对器件可靠性与结构设计之间的关系进行分析;对栅极电压和栅氧化层最强电场进行仿真,以对碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)单胞结构参数进行优化;在N型碳化硅外延层上制作金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor,MOS)电容,并且通过对MOS电容进行C-V测试的方法评估Si O2/Si C界面质量。对导带附近界面陷阱密度进行比较。NO退火的样品与干氧氧化样品相比界面质量明显改善,界面态密度小于5×10~11 cm–2e V–1。

碳化硅MOSFET电路模型及其应用

建立了新颖的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管等效电路模型.在常规碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管等效电路模型的基础上,引入了栅极氧化层泄漏电流模型和PN结的泄漏电流模型,并用能够反映碳化硅/氧化层界面特性的迁移率模型替换常规碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管电路模型中的常数迁移率.有关文献的实验数据验证了所建立的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管电路模型的准确性.与常规碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管电路模型相比,文中的电路模型能较为准确地模拟出碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的氧化层泄漏电流和短路失效现象.另外,该模型还可以用于讨论碳化硅/氧化层界面陷阱对工作在短路状态下的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管特性的影响.

适用于SiC MOSFET的漏源电压积分自适应快速短路保护电路研究

SiC MOSFET因其高击穿电压、高开关速度、低导通损耗等性能优势而被广泛应用于各类电力电子变换器中。然而,由于其短路耐受时间仅为2~7μs,且随母线电压升高而缩短,快速可靠的短路保护电路已成为其推广应用的关键技术之一。为应对不同母线电压下的Si C MOSFET短路故障,文中提出一种基于漏源电压积分的自适应快速短路保护方法(drain-sourcevoltageintegration-basedadaptivefast short-circuit protection method,DSVI-AFSCPM),研究所提出的DSVI-AFSCPM在硬开关短路(hardswitchingfault,HSF)和负载短路(fault under load,FUL)条件下的保护性能,进而研究不同母线电压对DSVI-AFSCPM的作用机理。同时,探究Si CMOSFET工作温度对其响应速度的影响。最后,搭建实验平台,对所提出的DSVI-AFSCPM在发生硬开关短路和负载短路时不同母线电压、不同工作温度下的保护性能进行实验测试。实验结果表明,所提出的DSVI-AFSCPM在不同母线电压下具有良好的保护速度自适应性,即母线电压越高,短路保护速度越快,并且其响应速度受Si CMOSFET工作温度影响较小,两种短路工况下工作温度从25℃变化到125℃,短路保护时间变化不超过90 ns。因此,该文为Si CMOSFET在不同母线电压下的可靠使用提供一定技术支撑。

一种新型可调驱动电压的SiC/Si混合开关驱动电路

为提高碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(silicon carbide metal oxide semiconductor filed effect transistor,SiC-MOSFET)与硅基绝缘栅极双极晶体管(silicon insulated gate bipolar transistor,Si-IGBT)并联混合开关(SiC/Si hybrid switch,SiC/Si HyS)的可靠性与适用性,该文提出一种可变驱动电压的SiC/Si HyS栅极驱动电路结构,采用一路脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)控制信号和一个驱动芯片产生不同电压幅值的栅极控制信号,分别控制SiC/Si HyS中的SiC-MOSFET和Si-IGBT。相比于传统采用2个独立驱动电路的SiC/Si HyS驱动结构,该驱动电路大幅度降低SiC/Si HyS栅极驱动电路的复杂度,降低SiC-MOSFET关断过程中Si-IGBT误导通的可能性,提升混合开关的工作可靠性。该文首先分析所设计驱动电路工作原理,给出驱动电压调节方法;其次,建立耦合电容端电压纹波和系统启动时电容端电压暂态数学模型,通过仿真和实验验证模型准确性;搭建2 kW的SiC/Si混合开关Buck电路,验证该文所提混合开关驱动电路可行性,从SiC/Si HyS功率器件关断损耗、驱动电路功率损耗、成本以及体积4个方面分析所提驱动结构的优势。

SiC MOSFET驱动特性及器件国产化后的影响分析

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管SiC MOSFET(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)作为一种新型、广泛应用的开关器件,在实际应用中具有更快的开关速度和更低的器件损耗,可以提高变换器的效率,体现更好的性能。针对SiC MOSFET驱动特性,分析寄生参数对其的影响;搭建双脉冲实验平台,分析栅源电压与SiC MOSFET导通时间的关系;针对现有国产SiC MOSFET存在的不足之处,基于搭建的实验平台及其他电源产品,对SiC MOSFET进行国产化器件替代后导通时间、驱动损耗及负压幅值变化的相关分析。

SiC MOSFET器件栅氧可靠性研究综述

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管SiC MOSFET(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field effect transistor)因具有高压、高频、低导通损耗等优异特性而获得产业界广泛关注,但相比于硅基IGBT,SiC/SiO_(2)栅氧界面高缺陷密度引起的栅氧可靠性问题成为制约SiC MOSFET器件规模化应用的关键瓶颈。通过对近年来国内外SiC MOSFET栅氧可靠性研究成果的梳理和分析,阐述了当前栅氧可靠性问题的形成原因,归纳总结了各类常用的栅氧可靠性评估方法,并进行了比较分析,最后重点探讨了极端工况下SiC MOSFET栅氧可靠性及其提升技术的发展现状。