电力电子变换已经逐步进入高压、特高压领域，高压功率器件是制约变换器体积、功耗和效率的决定性因素。特高压交直流输电、新能源并网、电动汽车等领域都对高电压等级功率器件有着更高的要求和需求。目前，硅（Si）材料器件发展成熟、使用广泛、性能可靠，然而其较小的禁带宽度、击穿电场和热导率等特性大大制约了其在高功率、高电压和高频率下的应用。SiC 作为宽禁带半导体之一，在人们的探索和研究中逐渐走进了功率器件的舞台，并凭借其比 Si 材料更高的禁带宽度、击穿场强和热导率等优良特性，打破了 Si 材料的极限，在高电压等级和大功率电能变换应用中体现出了较低的功率损耗、更高的开关频率等优越性能，具有极大的潜力。
在诸多开关器件中，高压 SiC MOSFET 器件是一种具有输入阻抗高、工作频率高、无拖尾电流等特点的单极型功率器件，相较于其他单 / 双极型开关器件具有以下优越性：其开关损耗低，易于提高功率模块整体效率；开关频率高，降低了电容电感体积，利于电力电子变换器的整体小型化；工作环境温度理论上可达 600 ℃，远超 Si 基器件，利于在高温环境下的应用。加入三代半交流群，加VX：tuoke08。随着 SiC 晶圆制造技术和栅氧工艺的日益成熟，已有不少国内外厂家正在或已经实现了 1.2 kV 等级器件的商品化。目前，高压 SiC MOSFET 的单管击穿电压已经达到 15 kV。
高压 SiC MOSFET 的结构和技术存在着几个重要瓶颈：1） 器件漂移区的导通电阻随电压等级相应增加，其他结构（沟道、JFET 区等）的存在进一步提高了总导通电阻；2）电压等级要求高，而终端保护技术的保护效率和终端面积之间存在矛盾；3） 存在器件可靠性问题，工艺技术和结构设计严重影响器件的长期工作。这些问题严重限制了高压 SiC MOSFET 器件的进一步发展和推广应用，因此目前已有诸多学者针对上述问题开展了研究。本文首先回顾了高压 SiC MOSFET 的发展历程和国内外研究进展，随后从器件特性的权衡关系出发，在高压 SiC MOSFET 的改进结构和终端保护技术等方面对国内外研究现状进行分析和总结，同时对该器件目前存在的瓶颈和挑战进行了讨论。
目前已知的 SiC 材料有 250 多种晶体结构，其中4H-SiC 晶型具有更高的迁移率，因此 SiC 功率器件主要基于 4H-SiC 材料。Si、4H-SiC 2 种半导体材料的主要特性，其中 Si 的带隙宽度为 1.12 eV、热导率为 1.5 W/ (cm·℃)、击穿场强 Ec 为 2.5×105 V/cm，而 4H-SiC 的带隙宽度为 3.26 eV、热导率为4.9 W/(cm·℃)、Ec 可达 2.5×106 V/cm。4H-SiC 功率器件有着 10 倍于 Si 功率器件的击穿场强，这意味着在同等电压等级下 4H-SiC 功率器件的尺寸远小于 Si 功率器件，这将进一步提升器件的功率密度，改善器件的散热等特性，使其可以在更大电流和更高频率下工作。从比导通电阻 RON,sp 和击穿电压 VB 的关系可以进一步说明 4H-SiC 材料的先进性，二者都是衡量单极型高压功率器件的核心参数，在穿通结构下存在理论极限关系：RON,sp=(3/2)3 VB2 /εs μnEc3 ，其中 εs 和 μn 分别为半导体材料的介电常数和电子迁移率，可以看出，4H-SiC 功率器件与 Si 相比具有耐压更高、损耗更低的优良特点。
功率 SiC MOSFET 主要有 2 种技术路线，根据栅极工艺分为平面型 MOSFET （VDMOS） 和沟槽型MOSFET（TMOS），两种器件的元胞结构如图 2 所示。多数产品均采用 SiC VDMOS 结构，其工艺简单、阻断能力强，然而导通电阻较大；SiC TMOS 是目前的研究热点，其沟道迁移率高，但工艺较为复杂，受栅氧可靠性影响导致阻断能力较差。
自20 世纪 80 年代第一款 3C-SiC 衬底上的横向MOSFET 和 1994 年首个功率 SiC MOSFET 研制成功以来，各大公司和研究机构都如火如荼地进行着 SiC功率器件的开发。2001 年，Infineon 公司推出了首款商用 SiC 二极管器件。2010 年，Cree 公司和 Rohm 公司相继推出了 SiC VDMOS 产品。2011 年起，各公司开始逐步推出商用 SiC 功率器件。Rohm 公司于 2012 年提出并使用双沟槽结构 SiC TMOS；Infineon 公司于2017 年推出了 CoolSiCTM 产品；Cree 公司专注于平面型并已推出第三代 1.2 kV/160 A 的 SiC VDMOS。3.3 kV 及以下等级的功率 SiC MOSFET 已经迈入产业化阶段，越来越多的研究也偏向沟槽、双沟槽（DT）结构；然而对于 3.3 kV 以上、特别是 10 kV 及以上的超高压等级 SiC MOSFET，只能使用平面型结构以避免沟槽底部的栅氧可靠性问题。
国际上对高压 SiC MOSFET 的研究起步较早，多家公司及科研机构均同步跟进该领域前沿方向。第一款性能较为完善的 10 kV 等级超高压 SiC VDMOS 是由美国 Cree 公司 RYU 等人于 2006 提出和研制的，其击穿电压为 10 kV，电流等级为 5 A，室温下测得比导通电阻为 111 mΩ·cm2 ，使用了由 65 个浮空场限环（FLR）组成、总长度为 550 μm 的终端结构。2012 年，日本 AIST 研究所在 DT 结构的基础上进行沟槽底部P+ 区注入并实现了 3.3 kV/7.0 mΩ·cm2 等级的高压SiC TMOS。2014 年，Cree 公司的 ALLEN 等人提出了 SiC VDMOS 电压等级从 900 V 到 15 kV 的提升流程，并进一步缩减裸片尺寸、增强器件性能。2015 年，日本住友电工分别通过靠近沟槽底部深 P+ 注入和终端结构注入剂量优化，研制了 1.7 kV/3.5 mΩ·cm2 等级的高压 SiC TMOS 和 3.3 kV/14.2 mΩ·cm2 等级的高压SiC VDMOS。2015 年，Cree 公司首次展示了全新一代 10 kV 等级的超高压 SiC VDMOS 器件的全部特性，其导通电阻从以往的 160 mΩ·cm2 改进到 100 mΩ·cm2 。
2017 年，Cree 旗下的 Wolfspeed 部门提出了新一代6.5 kV/30 A、 导 通 电 阻 小 于 90 mΩ 的 高 压 SiC VDMOS；同年，三菱电机公司研制出 6.5 kV/50 A 等级的高压 SiC VDMOS，并将肖特基势垒二极管（SBD）嵌入元胞结构中，还于次年进一步研究了不同终端结构对阻断特性保护的稳健性。2020 年，ABB 公司同样提出了具有宽反向偏压安全工作区域和大浪涌电流能力的 6.5 kV/8 A 的高压 SiC VDMOS。同年，Rohm 公司发布了第四代双沟槽 SiC TMOS，在不牺牲短路耐受时间的条件下降低了比导通电阻和寄生电容。
与国际相比，我国高压 SiC MOSFET 领域虽然起步较晚、目前大多停留在科研阶段，但研究已经逐渐成熟，与国外的差距正在逐步减小。中国电科集团第五十五所建立了高压 SiC MOSFET 研发部门并成功研发了 1.2 kV/50 A、3.3 kV/30 A、6.5 kV/25 A 和10 kV/15 A 等级的高压 SiC VDMOS；株洲中车时代电气股份有限公司、深圳基本半导体有限公司、华润微电子有限公司等也相继推出了 1.2 kV 等级系列高压 SiC VDMOS；电子科技大学的邓小川等人设计了一种多区步进间距 FLR 新结构，并据此生产了 13.6 kV等级超高压 SiC VDMOS，电流等级为 10 A；浙江大学也研制出 1.2 kV 等级的高压 SiC VDMOS。
Baliga 品 质 因 数 （BFOM）FB 是 描 述 高 压 SiC MOSFET 静态特性的核心指标，关系式为 FB=VB 2 /RON,sp，它反映了击穿电压与比导通电阻之间的矛盾关系和导通特性的优劣程度。对器件元胞结构的主要参数进行优化，可以在维持电压等级不变的条件下降低比导通电阻，从而提升 BFOM，然而由于沟道击穿、栅氧可靠性等问题和衬底、电极金属的存在，比导通电阻无法达到理论值。要想进一步提高 BFOM，需要对器件的元胞结构进行改进，通过引入外加电荷等手段进一步降低导通电阻。目前主要有 2 种改进结构，分别是JFET 区掺杂结构和超结（SJ）结构，进一步提高 SiCVDMOS 和 SiC TMOS 品质因数的元胞结构。
高压 SiC MOSFET 器件将在当前乃至未来的电力电子领域发挥越来越重要的作用，推动电能变换朝着更高电压、更高频率、更高功率密度的方向前进。近年来，高压 SiC MOSFET 器件得到了越来越多的机构和企业中科研工作者的关注，发展势头越来越猛烈，这对于未来电能传输和变换应用方面的发展有着巨大的推动作用。虽然受到国外对我国先进半导体材料和工艺上的限制，但国内诸多高校和科研机构仍在持续进行技术研发并跟进国际最新发展方向，与国际先进水平的差距逐渐缩小，国内从业者需要坚持吸取先进技术和经验，早日达到国际领先水平。
转载自：芯人类
