SiC芯片微型化及发展趋势

新能源汽车与光伏作为SiC器件发展的重要推手,促进国内碳化硅产业链日趋完善,设计和制造进展快速,部分制造商器件特性已达到或接近国际领先水平。然而,由于SiC器件价格偏高,器件成本成为限制SiC器件进一步渗透市场的最主要因素。SiC芯片微型化能够显著降低芯片成本,已成为进一步加快SiC技术在新能源领域的大规模应用的有效途径之一。文章对近年来SiC芯片微型化的发展进行了梳理总结,对芯片微型化的必要性进行了分析,并提出了SiC芯片微型化的解决办法,阐述了国际SiC芯片微型化进展,对国内SiC技术近阶段的快速发展进行了阶段性总结,并揭示了芯片微型化将面临的各种挑战。最后,对国内SiC器件发展的机遇和未来进行了展望,为进一步研发提供思路和参考。

基于神经网络的SiC功率管导通电阻估测技术研究

SiC功率管器件广泛应用在航空领域的电能变换、配电等场合,其健康状况十分重要。在SiC器件的健康监测应用中,导通电阻的检测是一项十分重要的技术。为了能够简单准确地得到碳化硅(SiC)MOSFET功率器件的导通电阻,本文提出了一种基于神经网络的SiC MOSFET器件导通电阻估测方法。本文搭建SiC MOSFET导通电阻测试电路仿真和物理试验平台,并使用BP神经网络(BP neural networks,BPNN)对不同温度、不同栅极电压以及不同漏极电流下SiC MOSFET器件的导通电阻数据进行详细描述。最后,对基于BPNN的SiC MOSFET导通电阻估测方法进行效果验证。结果表明,该方法具有精度高和泛化能力强的优点,能够实现SiC MOSFET器件导通电阻的有效估测。

SiC新一代电力电子学的创新发展

进入21世纪,宽禁带半导体材料的发展对电力电子学产生了革命性的影响,SiC新一代电力电子学应运而生。从高频高效率开关应用、高功率密度、高压变换、高温工作、热管理和可靠性研究等方面介绍了近几年SiC电力电子学的应用创新。应用创新的内容包含:电路拓扑结构设计、优化设计方法、SiC功率器件和先进高频无源元件的采用、寄生参量的抑制、驱动电路设计、高温粘结与封装工艺、新冷却方法和极端工作条件的可靠性试验方法等。对SiC电力电子学的应用创新进行了综合评价。

8.9W/mm高功率密度SiC MESFET器件研制

基于自主研发的碳化硅(SiC)材料外延技术,优化了材料各层结构及参数,减小了Al记忆效应,最终得到了高质量SiC外延片。采用自主研发成熟的SiC MESFET工艺平台,制作了多凹栅器件结构,优化了凹槽尺寸,采用细栅制作技术完成了栅电极制作,最终得到了不同栅宽的SiC MESFET芯片。突破了大栅宽芯片流片、封装及大功率脉冲测试技术,研制成功了微波功率特性良好的MESFET器件。微波测试结果表明,在2 GHz脉冲条件下,0.25 mm栅宽器件,输出功率密度达到8.96 W/mm,功率附加效率达到30%。单胞20 mm大栅宽器件,3.4 GHz脉冲条件下,功率输出达到94 W,功率附加效率达到22.4%。

S波段大功率SiC MESFET的设计与工艺制作

针对SiC功率金属半导体场效应晶体管如何在实现高性能的同时保证器件长期稳定的工作,从金属半导体接触、器件制造过程中的台阶控制、氧化与钝化层的设计及器件背面金属化实现等方面进行了分析;并结合具体工艺,对比给出了部分实验结果。从测试数据看,研制的微波SiC MESFET器件性能由研制初期在S波段瓦级左右的功率输出及较低的功率增益和功率附加效率,达到了在实现大功率输出的条件下,比Si器件高的功率增益和30%以上的功率附加效率,初步体现了SiC MESFET微波功率器件的优势,器件的稳定性也得到了提升,为器件性能和可靠性的进一步提升奠定了设计和工艺基础。

等平面化SiC MESFET的研制

在原有设计以及工艺的基础上,采用了器件表面等平面化处理及侧壁钝化工艺,器件工作电压大幅度提高,截止漏电流降低约两个数量级,跨导提高1.5mS/mm。2GHz下测试,微波功率附加效率提高10%左右,增益平均提高了2dB,在VDS=60V的条件下单管功率输出达到了86.5W。经过内匹配和功率合成研制成大功率的SiC脉冲功率管的综合性能较好,在250W的输出功率下,器件仍然保持高达10.5dB的高增益,功率附加效率30%。台阶仪和扫描电镜观测表明,台阶高度已经大大降低,侧壁得到了钝化,尖锐突起和凹坑都已经变得平缓。

S波段连续波输出功率20W的SiC MESFET

采用自主开发的SiC外延材料和工艺技术,相继实现了S波段连续波状态下输出功率瓦级和10 W的SiC MESFET。经过版图设计的改进和工艺条件的优化,取得了S波段连续波状态下输出功率大于20 W,功率增益大于12 dB,功率附加效率大于30%的SiC MESFET研制结果。器件的功率增益和输出功率较以往的研制结果均得到显著提高,器件的反向截止泄漏电流也大幅度降低。由于器件未采用内匹配结构,其体积也比一般内匹配器件的体积小。研制结果为多胞合成实现更大功率输出的器件创造了条件,也使S波段连续波大功率输出器件的研制水平上了一个新的台阶。

6.5kV高压全SiC功率MOSFET模块研制

该文报道6.5kV、25A及100A两款全碳化硅(silicon carbide,SiC)功率金属场效应晶体管(metal oxide field-effect transistor,MOSFET)模块制备及测试结果。两款模块所采用的6.5kV SiC MOSFET及SiC肖特基二极管芯片均采用自主研制的高压SiC芯片,充分显示了在SiC材料外延、器件制备及模块封装领域国产化方面的巨大进展。该文报道6.5kV、25A和100A两款模块动静态性能表征结果,并与国际研究报道水平做对比分析。室温下,两款模块导通能力分别大于25A和100A;栅源短接,在漏极电压6.5kV时,模块漏电流分别为2.0μA和8.77μA。对6.5kV、25A模块动态参数、开关波形进行测试,以表征单管芯MOSFET动态性能特性。在工作电压3.6kV、导通电流25A下,对模块进行动态测试,结果表明,SiC MOSFET具有快速的开关特性,其中开通时间(开通损耗)和关断时间(关断损耗)分别为140ns(12.3m J)和84ns(1.31m J)。测试结果表明,研制的全SiC模块具有优越的动静态性能,相对传统硅6.5kV绝缘栅双极晶体管芯片在开关速度及开关损耗方面具有巨大优势,该款6.5kV SiC功率模块在智能电网、电能转换及配电网络领域具有广阔的应用前景。

电子辐照对SiC功率MOSFET器件动态特性的影响机理

针对SiC功率场效应晶体管在太空、核工业等高能粒子辐照环境下应用时的老化失效问题,以1200 V SiC MOSFET器件为对象,研究了电子辐照对SiC MOSFET器件动态特性影响及机理。在10 MeV电子束下对SiC MOSFET器件进行200 kGy剂量的辐照;然后,采用双脉冲测试电路对SiC MOSFET器件进行开关测试,并提取开关速度以及开关瞬态能量损耗等参数;接着对器件进行静态特性测试得到器件的阈值电压、栅极电阻、寄生电容等参数;最后,对比辐照与未辐照器件动态和静态特性参数变化分析电子辐照对SiC MOSFET器件动态特性影响机理。分析结果表明:在漏极电压800 V、漏极电流15 A、栅极外接电阻200Ω的测试条件下,辐照后器件开启延迟时间减小11.6 ns,开启瞬态能量损耗减小0.18μJ,关断延迟时间增大48.4 ns,关断瞬态能量损耗增大0.11μJ。结合器件静态特性参数分析发现:辐照后氧化层中正固定电荷增加7.14×10^(11)cm^(-2),器件阈值电压减小1.5 V;电子辐照在氧化层中电离产生电子空穴对,氧化层陷阱捕获空穴形成带正电的固定电荷,使得器件阈值电压减小,这是导致器件在电子辐照后开启速度变快,关断速度变慢的主要原因。该研究结果可为SiC功率器件在辐照环境中的应用以及制造厂商提高SiC MOSFET在辐照环境中的可靠性提供一定的参考。

体积小重量轻的SiC微波脉冲功率晶体管

采用自主开发的工艺加工技术和设计方法,直接将两个微波SiC MESFET管芯在管壳内部进行并联,实现了器件在S波段脉冲状态下(工作频率2GHz,脉冲宽度30μs,占空比10%)输出功率大于30W、功率增益12dB、功率附加效率大于30%的性能指标。由于直接采用管芯并联结构,省略了内匹配网络,器件的体积和重量较以往的Si微波双极功率晶体管大为降低;采用高温氧化技术克服了传统MESFET工艺中PECVD介质产生较高界面态的不足,减小了器件的泄漏电流,提高了器件性能。器件的研制成功,初步显示了SiC微波脉冲功率器件在体积小、重量轻、增益高、脉冲大功率输出和制作工艺简单等方面的优势。

基于准串联SiC MOSFET的高增益直流电力电子变压器

直流配电技术相较于交流配电有诸多优势,其在深海设备供电应用中有广阔前景。该文提出一种基于准串联碳化硅(siliconcarbide,Si C)金属–氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)的直流电力电子变压器(power electronic transformer,PET),能够在体积受限的条件下,实现几千伏中压直流到几百伏低压直流的高增益隔离电能变换。直流PET通过多个隔离降压子模块在输入端串联–输出端并联实现高电压增益。为满足输入侧高电压的需求,同时降低直流PET体积,在输入侧采用准串联Si CMOSFET半桥结构,提高子模块输入电压等级,减少子模块数量。采用裸芯片对直流PET进行搭建,并采用绝缘冷却液浸泡的方式,实现直流PET的绝缘和散热,进一步减小绝缘、散热体积,满足深海场景体积受限的应用需求。最后,搭建1台4.5kV/680V/30kW实验样机验证所提方案的可行性。

SiC电力电子学产业化技术的创新发展

进入21世纪后,宽禁带半导体SiC电力电子学发展迅速,SiC二极管和SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)先后进入商品化,在电动汽车等绿色能源的应用发展的带动下,SiC电力电子学进入产业化快速发展阶段。介绍了SiC电力电子学在大尺寸SiC单晶,低成本SiC功率器件制造,SiC二极管、SiC MOSFET、SiC绝缘栅双极晶体管(IGBT)和SiC门极关断晶闸管(GTO)等功率器件,SiC封装和模块,以及高开关频率SiC器件的应用创新等产业化技术方面的最新进展。其中包含了大尺寸SiC单晶生长技术,基于商用Si CMOS生产线的SiC功率器件制备新工艺,SiC二极管的新结构与新工艺,SiC MOSFET的超级结结构、FinFET结构、高k介质栅与可靠性技术,SiC IGBT和SiC GTO的n沟道新器件及载流子寿命增强新工艺,SiC功率模块的设计与新装联工艺,SiC功率器件应用的新拓扑结构,栅极驱动电路与抑制寄生效应的新技术等。分析和评价了SiC电力电子学产业化的发展态势。

功率器件功率循环测试技术的挑战与分析

功率循环测试被称为考核功率器件封装可靠性最重要的实验,尤其是碳化硅金属–氧化物半导体场效应晶体管(silicon carbon metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,SiC MOSFET)功率器件的快速发展,是近几年的研究热点。与其他可靠性测试不同的是,功率循环测试原理虽然简单,但测试技术、测试方法和数据处理却涉及到半导体物理、电磁学、传热学、结构力学和信号分析等多学科交叉,处理不当将得到错误的结论。文中基于功率循环测试基本原理,从测试技术、测试方法和数据处理3个大方面对其存在的挑战进行深入分析,并提出相应的解决方案。测试技术主要包括电气测量噪声、结温测量延时和数据采集点,电气测量噪声和测量延时影响功率循环测试中结温的准确性,数据采集点则是影响器件的失效模式判定和寿命。测试方法主要包括结温测试方法、电流激励方法和宽禁带器件SiC MOSFET的相关测试方法,其中电流激励方法会影响器件的失效机理和寿命,需要特别关注。数据处理部分则是从可靠性数理统计角度出发,探究测试样本数量和对测试结果的修正,以得到准确的测试结果。该文可以为功率循环测试技术和设备的发展奠定一定理论和方法基础,为功率循环测试和数据分析提供一些借鉴。

SiC电力电子学产业化技术的创新发展(续)

进入21世纪后,宽禁带半导体SiC电力电子学发展迅速,SiC二极管和SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)先后进入商品化,在电动汽车等绿色能源的应用发展的带动下,SiC电力电子学进入产业化快速发展阶段。介绍了SiC电力电子学在大尺寸SiC单晶,低成本SiC功率器件制造,SiC二极管、SiC MOSFET、SiC绝缘栅双极晶体管(IGBT)和SiC门极关断晶闸管(GTO)等功率器件,SiC封装和模块,以及高开关频率SiC器件的应用创新等产业化技术方面的最新进展。其中包含了大尺寸SiC单晶生长技术,基于商用Si CMOS生产线的SiC功率器件制备新工艺,SiC二极管的新结构与新工艺,SiC MOSFET的超级结结构、FinFET结构、高k介质栅与可靠性技术,SiC IGBT和SiC GTO的n沟道新器件及载流子寿命增强新工艺,SiC功率模块的设计与新装联工艺,SiC功率器件应用的新拓扑结构,栅极驱动电路与抑制寄生效应的新技术等。分析和评价了SiC电力电子学产业化的发展态势。

碳化硅功率器件技术综述与展望

碳化硅(silicon carbide,Si C)器件作为一种宽禁带半导体器件,具有耐高压、高温,导通电阻低等优点。近20年来,Si C器件是国内外学术界和企业界的一大研究热点,该文对近些年来不同Si C器件的发展进行分类梳理,介绍二极管、结型场效应晶体管、金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管及门极可断晶闸管器件,并对比分析器件结构及参数性能,针对关键问题展开论述。最后,对SiC器件近年的发展进行总结和展望。

3300V碳化硅肖特基二极管及混合功率模块研制

基于数值仿真结果,采用结势垒肖特基(JBS)结构和多重场限环终端结构实现了3 300 V/50 A 4H-Si C肖特基二极管(SBD),所用4H-Si C外延材料厚度为35μm、n型掺杂浓度为2×1015cm-3。二极管芯片面积为49 mm2,正向电压2.2 V下电流达到50 A,比导通电阻13.7 mΩ·cm2;反偏条件下器件的雪崩击穿电压为4 600 V。基于这种3 300 V/50 A 4H-Si C肖特基二极管,研制出3 300 V/600 A混合功率模块,该模块包含24只3 300 V/50 A Si IGBT与12只3 300 V/50 A 4H-Si C肖特基二极管,Si C肖特基二极管为模块的续流二极管。模块的动态测试结果为:反向恢复峰值电流为33.75 A,反向恢复电荷为0.807μC,反向恢复时间为41 ns。与传统的Si基IGBT模块相比,该混合功率模块显著降低了器件开关过程中的能量损耗。

4500V碳化硅SBD和JFET功率模块的制备与测试

基于自主研制的碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)和碳化硅结型场效应晶体管(JFET)芯片,成功制备了4 500 V/150 A的碳化硅SBD功率模块和4 500 V/50 A的碳化硅JFET功率模块,并设计了JFET功率模块的驱动电路进行相应的静态和动态开关测试。测试结果表明,制备模块具备了相应的电流导通和电压阻断能力,同时开关特性良好,模块的容量是目前国内已报道的最高水平。

Ka波段InAlN/GaN/AlGaN双异质结场效应晶体管

InAlN/GaN/AlGaN双异质结材料可以兼顾较高的二维电子气浓度和较好的载流子限域性,适宜制备Ka波段及以上微波功率器件。使用金属有机物气相外延方法,在SiC衬底上生长高性能InAlN/GaN/AlGaN双异质结构材料并制备了栅长为0.2μm的异质结场效应晶体管。测试结果表明,在栅压+2 V时器件的最大电流密度为1.12 A/mm,直流偏置条件VDS为+15 V和VGS为-1.6 V时,最高输出功率密度为2.1 W/mm,29 GHz下实现功率附加效率(ηPAE)为22.3%,截止频率fT达到60 GHz,最高振荡频率fmax为105 GHz。就功率密度和功率附加效率而言,是目前报道的Ka波段InAlN/GaN/AlGaN双异质结场效应晶体管研究的较好结果。

用于车载充电的无桥PFC电路设计和优化

以车载充电机为应用场景,研究充电系统中的功率因数校正技术。在传统PFC的基础上,引入改进型无桥PFC拓扑以及碳化硅新型功率器件。基于单周期控制技术,以IR1150为控制芯片,设计了无桥PFC控制算法及硬件电路。搭建1 700W无桥PFC和1 700W有桥PFC变换器实验样机。通过实验对比,验证了改进型无桥PFC变换器较普通无桥PFC能有效减少电磁干扰;在不同工况下,功率因数保持在99%以上,效率较传统有桥PFC有明显提升。

一种碳化硅双极结型晶体管新型自适应驱动电路

作为新型半导体材料功率器件的代表，碳化硅双极结型晶体管（SiCBJT）相较硅基晶体管有许多独特的优势，如高电流增益、优良的耐高温可靠性、制作工艺简单以及无碳化硅栅氧可靠性问题，在军用以及日常应用中有着广泛的应用前景。但其作为电流型器件，即使在较大的电流增益系数下，SiCBJT的驱动损耗仍然不可忽略。为了节省驱动功耗，一系列的驱动方式被使用。本文将几种典型的传统BJT驱动应用于SiCBJT，并对其功耗，开关速度进行比较，在此基础上对其参数进行优化，最后提出了一种SiCBJT的新型自适应驱动，通过建立从集电极电流到基极电流的的正反馈，基极电流能够等比例的跟随集电极电流，使得电流增益系数保持稳定，简化了驱动电路并提高了电路的响应速度，同时大大减少了基极稳态驱动功耗。通过斩波电路的实验结果表明，自适应驱动方式稳态功耗仅为恒定基极电流驱动方式稳态功耗的30％左右。