这种新材料终成半导体功率器件主流

2016-11-14 10:32:00 来源: 互联网

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过去几年来，碳化硅(SiC)型功率半导体解决方案的使用情形大幅成长，成为各界仰赖的革命性发展。推动此项市场发展的力量包括下列趋势：节能、缩减体积、系统整合及提升可靠性。

IGBT搭配SiC二极体宽带隙技术改变局势

SiC装置定位能够充分因应上述市场挑战。这项全新的宽带隙技术，不仅是向前迈进的革命性发展(例如过去几年来每一代新型的硅功率装置)，也具有真正改变局势的能力。碳化硅型系统的革命性能力在于大幅提升效能，对于关注创新及划时代解决方案的设计人员而言，相当具有吸引力。IGBT或超接面MOSFET结合SiC二极体，已经成为多种应用的标准配备，例如太阳能、充电器或电源供应。

这类组合是以快速的硅基开关搭配SiC二极体，通常称为「混合式」解决方案。

近年来英飞凌已经制造数百万个混合式模组，安装于各种不同的客户产品。

全球第一个混合式模组是在十多年前开发，以英飞凌EconoPACK封装平台为基础(图1)。特定应用部门是英飞凌任何新技术的初期采用者。视实际系统价值而定，如果新技术成本/效能的吸引力，足以改用更高技术的新型解决方案，其他应用就会跟进。英飞凌将深获肯定的SiC二极体设计，应用于高阶电源供应器之后，发现太阳能变频器及升压电路是其中最可能受益于此项新技术的部分。

图1 全球第一个混合式模组解决方案，自2006年起生产。

除此之外，不断电系统(UPS)及充电器等领域也可能跟进。像是马达驱动器、牵引设备，以及长期展望的汽车应用等传统部门，预计都将非常有兴趣大规模改采新型半导体技术。

以往，能源效率是设计及行销的关键，也使太阳能变频器迈向成功。例如升压电路使用的SiC二极体，是达到98%以上效率的最佳解决方案。

目前太阳能设计的主要趋势，是基于减少切换损耗的方式来提升功率密度，实现体积更小的散热器，此外也允许使用更高的作业频率，借以缩小磁铁尺寸。SiC二极体在现代太阳能变频器及微变频器应用方面，正逐渐成为主要元件。最近英飞凌SiC二极体技术迈入第五代。SiC二极体则更进一步采用缩小晶粒的方式，达到更具吸引力的成本定位。

此外，新技术功能实作之后，将较前代技术提供更多的客户利益，例如降低正向电压降，使导通损耗减少，以及提升突波电流功能，并改善崩溃行为。混合式解决方案是现今全球太阳能变频器的标准作法。英飞凌已经提供此类技术15年以上，以深获肯定的纪录及可靠的大量生产，成为此项技术值得信赖的合作伙伴。

英飞凌采用整合式的制造概念，SiC晶片的生产线与大量的硅功率晶片相同，借此保证达到与硅产品同等的可靠性及制程稳定性。此外，这项整合式概念也在产能方面也有所弹性，这项关键因素有助于在快速变迁的市场上推动新兴技术普及。

依据对系统的深入了解，并明确着重在提升成本效能，可在硅半导体及碳化硅半导体之间形成最佳组合，成功定义产品。

磁铁元件尺寸大幅缩减SiC成功在望

这项作法不再以纯半导体技术推动产品定义，而是针对目标系统量身打造的解决方案，此一发展方向是SiC成功在望的关键要素。从二极体技术的经验看来，SiC电晶体未来几年将以类似方式推出。这是重要的下一步，让SiC更能与主流技术并驾齐驱。如上所述，关键要素为：

．深获肯定的坚固程度

．具吸引力的成本/效能，实现可评测的系统优点

．大量生产能力

．依据对系统的了解来推动产品定义

多年来进行丰富深入的研究，主要是为了了解SiC的系统利益。使用单极SiC电晶体的转换器提升切换频率，可大幅缩减磁铁元件的体积和重量。依据英飞凌的分析，建构于SiC装置的转换器相较于现有的硅基参考解决方案，尺寸仅为三分之一，重量则只有25%。由于体积及重量大幅缩减，系统成本也可降低20%以上。

未来几年碳化硅解决方案将扩展进入其他应用领域，例如工业或牵引装置。这是因为市场力量促使损耗降低，不仅为了提升效率，也是为了缩小封装体积(由减少散热器需求所促成)。如图2所示，SiC已经用于各种高阶及利基解决方案。现今的设计也发挥上述效益，在特定应用领域降低系统成本。

图2 SiC的优点取决于使用场所及相关应用

未来实作碳化硅解决方案后，会有更多应用受益于整体的损耗降低。在此方面，下一项重要步骤就是采用SiC开关。

崩溃场强度超出10倍碳化硅多项特性胜出

为了了解硅和碳化硅解决方案之间的差异，必须明确指出：碳化硅装置属于所谓的宽带隙半导体。硅与SiC材料特性比较如图3所示。快速以及单极的肖特基二极体与场效式碳化硅开关(MOSFET、JFET)的电压范围，可延伸超过1000V，原因是SiC材料本身的特性：

图3 硅与碳化硅的材料特性比较

．高电压肖特基二极体达成低漏电流的原因，是金属半导体阻障比硅肖特基二极体高两倍。

．相较于硅，单极晶体显得极有吸引力，其具有特定导通电阻，原因是崩溃场强度超出约10倍。

图4显示不同半导体的最低特定导通电阻，与所需阻断电压的比较(这里仅使用漂移区，基板对电阻的任何影响均忽略不计)。每条线的端点象征特定半导体在单极组态的可用电压范围，不含超接面MOSFET。

图4 比较碳化硅与硅的导通电组及阻断电压

SiC电晶体将成为吸引人的替代方案，取代工业功率电子领域现有的IGBT技术。

SiC独有的材料特性，可设计无少数载子的单极装置，取代高阻断电压的电荷调变IGBT装置。这项效能主要基于宽带隙提供的高临界场。

IGBT的损耗限制，由少数载子的动力所造成。而这类少数载子将在MOSFET之中遭到消除。例如SiC MOSFET已测得100kV/μs以上的超高dv/dt斜率。一开始时，相较于1,200V以上的IGBT，SiC晶体的出色动态效能是最重要的优势。不过，最近结果显示IGBT技术具有庞大潜能，如英飞凌TRENCHSTOP 5技术所示。

若以长远来看，IGBT和单极SiC开关之间的基础差异，将日益受到瞩目。其中主要的两大差异为：一是线性无阈值的输出特性IV曲线，二是整合本体二极体与同步整流选项的能力。依据以上特性，装置可在同步整流模式提供无阈值的导通行为。此外，必要元件的数量可减少一半。这样可以大幅缩减所需的功率模组体积。

就系统层级而言，无阈值导通行为特性可望大幅降低损耗。许多系统在大半寿命期间皆于部分负载的状况下运作，导通损耗远低于竞争的标准IGBT技术。即使是在5kHz以下的极低频率及未变更dv/dt斜率的情况下，仍然可以发现无阈值开关搭配整合式本体二极体(同步整流模式)，相较于目前市面上的商用IGBT解决方案，共有可能降低50%的损耗。损耗比较请参阅图5。

图5 即使在类似IGBT的dv/dt，并于5kHz的运作情况下，仍可减少50%的损耗。

显然在没有dv/dt限制以及更高切换频率的应用中，可以减少更多损耗。这常见于DC-DC升压或升/降压拓扑，可提供更小、更轻及更低成本的磁铁元件。各种研究已经证实，虽然使用更昂贵的功率开关，仍可在广泛的应用之中减少物料清单。就中期而言，由于预期SiC元件成本将随时间下降，应用数量将会增加。

达成最低导通电组目标沟槽型结构成一大助力

SiC晶体设计的目标，是让大部分零件达成最低的区域特定导通电阻。这是相当合理的想法，因为此项参数界定成本，同时也间接影响晶片电容值造成的剩余动态损耗。在特定电阻情况下，晶粒体积越小，电容值就越低。高瑕疵密度反应在SiC MOS装置的各种风格或特性之中。其中一个例子，就是跨导能力不如硅功率MOSFET，阈值电压也低。

另一项效应则是导通电阻的非物理温度行为。物理学证实Ron一般会在更高温度时增加。目前市面上的元件有时会显示零或什至负值的温度相依性。这是因为瑕疵相关电阻具有负的温度系数，所以会出现不同的温度行为。Ron随温度增加的程度越少，通道瑕疵对装置效能的影响就越高。只有增加在导通氧化层应用的场值，使其超越硅MOS功率装置经常使用的数值，才能有效降低瑕疵相关电阻。由于导通氧化层的高场值，可能会加速损耗阻断能力，长此以往，可靠性恐将随之降低。

整体目标是结合SiC的低Ron潜能，以及提供运作模式，让零件维持在经过充分研究且安全的场氧化层条件下。若要在导通情况下达成此目标，可采取离开高瑕疵密度平面表面的作法，朝向其他更有利的表面方向发展。在所谓SiC表面的MOS通道，可提供至少低上10倍的瑕疵密度系数。因此其中一种可能方法，就是使用沟槽(TRENCH)型结构，类似于许多现代的硅功率装置。

除了低通道电阻以外，该结构的电池密度一般高于平面结构，能够更有效地利用材料。此外，这种作法也可以降低区域特定导通电组。不过在沟槽型元件中，沟槽角落氧化层的电场应力是关键问题，特别是在SiC领域，可能成为阻碍发展的争议。此半导体晶片预定使用的电场，是硅解决方案的10倍。目前有多种可能作法，可以有效屏蔽临界区域，例如深pn元件。相对于DMOS在导通方面的两难困境，断态方面的挑战可藉由精巧设计加以解决。

强大的SiC开关，可提供深获肯定的坚固程度(类似于硅元件)，即使新技术往往伴随着新挑战，在功率电子应用的前景仍然一片光明，一开始必须付出更多努力，以最理想及最有效的方式善用技术。相关挑战包括加速切换产生的EMI问题，或是大幅提升功率密度的冷却问题。其中后者尤其难以避免，再加上晶片缩小，无法由预期的降低损耗加以抵消。

为了更快速深入掌握SiC晶体技术，化解上述的合理疑虑，才是有利作法。因此必须与客户合作，尽量简化新技术必要的任何设计及实作程序。

取代硅元件还早宽带隙与硅方案共存之道

新半导体技术在原则上将成为满足需求益增的关键要素；以功率半导体为基础的应用，也将因此提升功率密度及效率。不过，未来几年的重点并不是取代硅元件。宽带隙技术与硅解决方案可相互搭配，特别是在可以开创新应用利基，且无法由现有技术解决的情况下。SiC在此成为工业功率应用的主要创新成果，目标为阻断电压100 V以上，且功率额定值达到数百千瓦的元件，如图6所示。在市场成功导入SiC二极体技术后，SiC晶体将成为下一个重大步骤。目前宽带隙材料预期可大幅提升效能。为了让市场快速接受，坚固程度及系统导向产品功能将是关键要素。