1. 碳化硅半導(dǎo)體為何成為行業(yè)新寵2008年當(dāng)我第一次在實(shí)驗(yàn)室接觸碳化硅晶圓時(shí)手指不小心被邊緣劃破——這個(gè)看似不起眼的小傷口卻讓我深刻記住了這種材料的硬度特性。如今十五年過(guò)去碳化硅SiC已從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化成為電力電子領(lǐng)域當(dāng)之無(wú)愧的明星材料。與傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體相比碳化硅最顯著的優(yōu)勢(shì)在于其寬禁帶特性3.2eV vs 1.1eV。這就像在高速公路上拓寬了車(chē)道電子可以更順暢地通過(guò)而不發(fā)生擁堵。具體來(lái)看碳化硅器件的工作溫度可達(dá)600℃以上硅器件通常150℃就達(dá)到極限熱導(dǎo)率是硅的3倍擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度更是硅的10倍。這些特性使得碳化硅特別適合高功率、高頻率、高溫的應(yīng)用場(chǎng)景。在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域采用碳化硅功率模塊的主逆變器能使系統(tǒng)效率提升5-8%。以特斯拉Model 3為例其續(xù)航里程因此增加了約10%。而在光伏逆變器中碳化硅器件可將轉(zhuǎn)換效率從96%提升至99%意味著一個(gè)10MW的光伏電站每年可多產(chǎn)生價(jià)值約15萬(wàn)美元的電力。2. 碳化硅材料的制備挑戰(zhàn)與突破2.1 晶體生長(zhǎng)的技術(shù)壁壘碳化硅單晶的生長(zhǎng)堪稱(chēng)半導(dǎo)體行業(yè)的珠穆朗瑪峰。不同于硅材料可以通過(guò)直拉法Czochralski獲得大尺寸單晶碳化硅需要在2300℃以上的高溫下通過(guò)物理氣相傳輸法PVT緩慢生長(zhǎng)。我曾在實(shí)驗(yàn)室記錄到生長(zhǎng)1cm厚的4H-SiC晶錠需要連續(xù)工作7天期間溫度波動(dòng)不能超過(guò)±5℃。目前行業(yè)主流采用6英寸晶圓但良率仍徘徊在50-60%。對(duì)比硅晶圓99%的良率碳化硅的成本居高不下。2022年我們團(tuán)隊(duì)參與的一個(gè)項(xiàng)目顯示6英寸碳化硅襯底的價(jià)格約為硅襯底的20倍。這也是為什么行業(yè)正在加速向8英寸過(guò)渡——直徑增大33%可用面積增加78%理論上可降低30%以上的成本。2.2 襯底加工的特殊工藝碳化硅的莫氏硬度達(dá)到9.2僅次于鉆石這使得切割、研磨、拋光都成為巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)硅片切割使用的金剛石線鋸在碳化硅面前就像鈍刀切牛排。我們開(kāi)發(fā)的多線切割工藝需要將切割速度控制在0.5mm/min以下是硅片切割速度的1/20。拋光環(huán)節(jié)更為關(guān)鍵。一個(gè)典型的案例某客戶(hù)反饋器件漏電流異常最終發(fā)現(xiàn)是襯底表面存在納米級(jí)的劃痕。后來(lái)我們采用化學(xué)機(jī)械拋光CMP結(jié)合氧化蝕刻的混合工藝將表面粗糙度控制在0.1nm以下才解決了這個(gè)問(wèn)題。3. 碳化硅功率器件的設(shè)計(jì)革新3.1 MOSFET結(jié)構(gòu)的演進(jìn)第一代平面柵碳化硅MOSFET面臨的最大挑戰(zhàn)是溝道遷移率低。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)這與碳化硅表面態(tài)密度高有關(guān)。2015年推出的溝槽柵結(jié)構(gòu)Trench MOSFET將比導(dǎo)通電阻Rsp從5mΩ·cm2降低到2mΩ·cm2但帶來(lái)了新的電場(chǎng)集中問(wèn)題。最新的雙溝槽設(shè)計(jì)Double Trench通過(guò)在柵極兩側(cè)增加保護(hù)溝槽既保持了低導(dǎo)通電阻又將擊穿電壓提高到1700V以上。我在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)在175℃高溫下的導(dǎo)通損耗比硅IGBT低60%開(kāi)關(guān)損耗更是減少80%。3.2 二極管的技術(shù)突破碳化硅肖特基二極管SBD雖然性能優(yōu)異但存在一個(gè)致命弱點(diǎn)反向漏電流隨溫度升高呈指數(shù)增長(zhǎng)。我們團(tuán)隊(duì)花了18個(gè)月時(shí)間通過(guò)引入結(jié)勢(shì)壘控制JBS結(jié)構(gòu)將150℃時(shí)的漏電流降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。更令人興奮的是2018年出現(xiàn)的混合PIN肖特基二極管MPS。它巧妙地將JBS和PIN二極管結(jié)合在保持快速開(kāi)關(guān)特性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更好的浪涌耐受能力。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示MPS二極管可承受額定電流10倍的浪涌電流這對(duì)光伏逆變器等應(yīng)用至關(guān)重要。4. 碳化硅器件的關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景4.1 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)在參與某車(chē)企800V平臺(tái)開(kāi)發(fā)時(shí)我們對(duì)比了硅IGBT和碳化硅模塊的方案差異。碳化硅方案使電機(jī)控制器體積縮小40%重量減輕30%續(xù)航增加8%。但挑戰(zhàn)在于碳化硅器件更快的開(kāi)關(guān)速度dv/dt可達(dá)50kV/μs會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾EMI。經(jīng)過(guò)三個(gè)月調(diào)試我們最終采用門(mén)極電阻優(yōu)化從10Ω降到3.6Ω增加RC緩沖電路100Ω2.2nF三層屏蔽電纜設(shè)計(jì) 將EMI噪聲降低了18dB滿(mǎn)足了CISPR 25 Class 5標(biāo)準(zhǔn)。4.2 能源基礎(chǔ)設(shè)施在南方電網(wǎng)某換流站項(xiàng)目中采用碳化硅器件的新型固態(tài)變壓器SST實(shí)現(xiàn)了效率從97%提升至99.2%體積縮小60%冷卻系統(tǒng)功耗降低45%特別值得注意的是碳化硅器件在直流斷路器中的應(yīng)用。傳統(tǒng)機(jī)械斷路器需要5-8ms切斷故障電流而碳化硅固態(tài)斷路器可在100μs內(nèi)完成動(dòng)作這對(duì)未來(lái)直流電網(wǎng)的安全至關(guān)重要。5. 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的痛點(diǎn)與對(duì)策5.1 成本下降路徑根據(jù)我們的成本模型分析碳化硅器件的價(jià)格需要降到硅器件的2-3倍才能大規(guī)模普及。實(shí)現(xiàn)路徑包括晶圓尺寸升級(jí)6寸→8寸可降本30%切片技術(shù)改進(jìn)激光剝離技術(shù)有望將材料損耗從50%降到20%外延工藝優(yōu)化將外延層厚度均勻性控制在±3%以?xún)?nèi)可提升良率15%5.2 可靠性驗(yàn)證體系碳化硅器件的高溫特性既是優(yōu)勢(shì)也是挑戰(zhàn)。我們建立了完整的可靠性測(cè)試方案HTGB高溫柵偏測(cè)試150℃, 80%額定電壓, 1000小時(shí)HTRB高溫反向偏壓測(cè)試175℃, 80%額定電壓, 1000小時(shí)功率循環(huán)測(cè)試ΔTj125℃, 5萬(wàn)次循環(huán)在最近一批產(chǎn)品認(rèn)證中我們發(fā)現(xiàn)柵氧層的TDDB時(shí)變介質(zhì)擊穿壽命與溫度呈非單調(diào)關(guān)系這提示我們需要重新審視傳統(tǒng)的Arrhenius加速模型。6. 未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向第三代半導(dǎo)體正在向超高壓領(lǐng)域拓展。我們實(shí)驗(yàn)室已成功研制出20kV的碳化硅IGBT原型器件關(guān)鍵突破在于采用場(chǎng)限環(huán)JTE終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化p型基區(qū)濃度梯度開(kāi)發(fā)新型鈍化層材料在封裝技術(shù)方面銀燒結(jié)技術(shù)將芯片貼裝溫度從300℃降到250℃同時(shí)使熱阻降低30%。而采用嵌入式微流道冷卻的3D封裝可使功率密度提升到100W/cm3以上。最近參與的一個(gè)有趣項(xiàng)目是將碳化硅器件與氮化鎵GaN集成在同一模塊中利用GaN的高頻特性和碳化硅的高壓特性實(shí)現(xiàn)從10kHz到1MHz的全頻段高效功率轉(zhuǎn)換。初步測(cè)試顯示這種混合模塊在無(wú)線充電應(yīng)用中效率可達(dá)96.5%比純硅方案高出7個(gè)百分點(diǎn)。