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电力电子新闻综述(七)-碳化硅(SiC)电力电子器件发展中的难题

www.p-e-china.com 2013/8/7 8:40:30 来源:whl 电力电子论坛|免费发布产品

  一、引言

  近二十年来碳化硅半导体材料开始被行内人士重视,因为它有许多优势。早

  在上世记50年代,在黄昆、谢希德合著的“半导体物理学”著作中已介绍了半导体碳化硅。最早进入制作半导体器件的材料是锗,随后,硅和三、五族半导体材料登上了历史舞台。直至如今电力电子领域的晶闸管和IGBT等高压、大电流器件仍是使用硅单晶材料。由于碳化硅器件设计理论有所突破,人们对更高性能的大功率半导体器件的期望也越来越迫切。

  2002年,有位研究者著文预言:

  目前,德国Infineon公司已在市场上出售碳化硅肖特基势垒二极管。世界不少大型半导体公司纷纷开发降低碳化硅器件沟道电阻并且降低整个器件功耗的技术。预计2006年后这些先进器件可在市场上出售。

  目前,低功耗的碳化硅器件已经从实验室进入了实用器件生产阶段。目前碳化硅圆片的价格还较高,其缺陷也多。通过不断的研究开发,预计到2010年前后,碳化硅器件将主宰功率器件的市场。

  实际并非如此。下表是世界碳化硅器件领先水平参数:

  

  看来让人们失望了!

  二、人们是如何评价碳化硅的?

  几乎凡能读到的文章都是这样介绍碳化硅:

  碳化硅的能带间隔为硅的2.8倍(宽禁带),达到3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍,高达3.2MV/cm.其导热率是硅的3.3倍,为49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二极管及MOS场效应晶体管,与相同耐压的硅器件相比,其漂移电阻区的厚度薄了一个数量级。其杂质浓度可为硅的2个数量级。由此,碳化硅器件的单位面 积的阻抗仅为硅器件的100分之一。它的漂移电阻几乎就等于器件的全部电阻。因而碳化硅器件的发热量极低。这有助于减少传导和开关损耗,工作频率一般也要比硅器件高10倍以上。此外,碳化硅半导体还有的固有的强抗辐射能力。

  近年利用碳化硅材料制作的IGBT(绝缘栅双极晶体管)等功率器件,已可采用少子注入等工艺,使其通态阻抗减为通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身发热量小,因而碳化硅器件的导热性能极优。还有,碳化硅功率器件可在400℃的高温下正常工作。其可利用体积微小的器件控制很大的电流。工作电压也高得多。

  三、目前碳化硅器件发展情况如何?

  1,技术参数:举例来说,肖特基二极管电压由250伏提高到1000伏以上,芯片面积小了,但电流只有几十安。工作温度提高到180℃,离介绍能达600℃相差很远。压降更不尽人意,与硅材料没有差别,高的正向压降要达到2V。

  2,市场价格:约为硅材料制造的5到6倍。

  四、碳化硅(SiC)电力电子器件发展中的难题在哪里?

  综合各种报道,难题不在芯片的原理设计,特别是芯片结构设计解决好并不难。难在实现芯片结构的制作工艺。

  举例如下:

  1,碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一种肉眼都可以看得见的宏观缺陷,在碳化硅晶体生长技术发展到能彻底消除微管缺陷之前,大功率电力电子器件就难以用碳化硅来制造。尽管优质晶片的微管密度已达到不超过15cm-2 的水平。但器件制造要求直径超过100mm的碳化硅晶体,微管密度低于0.5cm-2 。

  2,外延工艺效率低。碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题,温度不能太高,一般不能超过1800℃,因而生长速率较低。液相外延温度较低、速率较高,但产量较低。

  3,掺杂工艺有特殊要求。如用扩散方法进行惨杂,碳化硅扩散温度远高于硅,此时掩蔽用的SiO2层已失去了掩蔽作用,而且碳化硅本身在这样的高温下也不稳定,因此不宜采用扩散法掺杂,而要用离子注入掺杂。如果p型离子注入的杂质使用铝。由于铝原子比碳原子大得多,注入对晶格的损伤和杂质处于未激活状态的情况都比较严重,往往要在相当高的衬底温度下进行,并在更高的温度下退火。这样就带来了晶片表面碳化硅分解、硅原子升华的问题。目前,p型离子注入的问题还比较多,从杂质选择到退火温度的一系列工艺参数都还需要优化。

  4,欧姆接触的制作。欧姆接触是器件电极引出十分重要的一项工艺。在碳化硅晶片上制造金属电极,要求接触电阻低于10- 5Ωcm2,电极材料用Ni和Al可以达到,但在100℃ 以上时热稳定性较差。采用Al/Ni/W/Au复合电极可以把热稳定性提高到600℃、100h ,不过其接触比电阻高达10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化硅的欧姆接触比较难。

  5,配套材料的耐温。碳化硅芯片可在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。

  以上仅举数例,不是全部。还有很多工艺问题还没有理想的解决办法,如碳化硅半导体表面挖槽工艺、终端钝化工艺、栅氧层的界面态对碳化硅MOSFET器件的长期稳定性影响方面,行业中还有没有达成一致的结论等,大大阻碍了碳化硅功率器件的快速发展。

  五、结论

  借鉴各类科技发展经验,凡事都有一个自己的发展规律。例如晶闸管上世记五十年代在我国出现,用于电气控制,受到各行各业欢迎,但并不一帆风顺。先是可控硅热,后因设计原理没有彻底搞清,产品故障频发,社会出现了“可怕硅”的恐惧。经过努力,下定决心克服难题,迎来了晶闸管的普及使用。所以,碳化硅功率器件的发展也不可能出现飞跃。

 

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