绝缘栅双极晶体管 (IGBT)是一种颠覆性的功率晶体管，于 20 世纪 80 年代初首次实现商业化，对电力电子行业产生了巨大的积极影响，实现了创新的转换器设计、提高了系统效率并节省了全球能源。事实上，一些估计表明，IGBT 在过去 25 年中帮助减少了 75 万亿磅的二氧化碳排放 [1]。

　　如今，IGBT 宽带隙半导体碳化硅 (SIC)显示出再次彻底改变电力电子领域的希望。IGBT 为我们提供了一种晶体管，它既能够阻断高电压，又具有低通态(即传导)损耗和良好控制的开关。然而，该器件的开关速度有限，这会导致高开关损耗、庞大而昂贵的热管理以及电源转换系统效率的上限。SiC 晶体管的出现消除了 IGBT 的开关损耗，但具有类似的通态损耗(实际上，在轻载时更低)和电压阻断能力，除了减少系统的整体重量和尺寸外，还实现了前所未有的效率。

　　然而，与大多数颠覆性技术一样，商用 SiC 功率器件的发展也经历了一条坎坷之路。本文旨在介绍 SiC MOSFET的发展背景，并简要介绍该器件的发展历史，介绍其当前的技术优势和未来的商业前景。

　　碳化硅或SiC的历史

　　自 20 世纪 70 年代以来，人们就开始研究 MOSFET 等与器件相关的 SiC 材料，但 SiC 在功率器件中的应用直到 1989 年才正式提出 [2]。Baliga 的品质因数激励了有抱负的材料和器件科学家继续推进 SiC 晶体生长和器件加工技术。

　　20 世纪 80 年代末，世界各地都在大力改进 SiC 衬底和六角形 SiC 外延的质量(这是垂直 SiC 功率器件所必需的)，日本的京都大学和 AIST、俄罗斯的约菲研究所、欧洲的埃尔朗根和林雪平大学、美国的纽约州立大学石溪分校、卡内基梅隆大学和普渡大学等机构都在努力改进 SiC 衬底和六角形 SiC 外延的质量。改进工作持续了整个 20 世纪 90 年代，直到 2001 年英飞凌推出了第一款商用器件，即 SiC 肖特基二极管。

　　在推出后的几年里，SiC 肖特基二极管经历了现场故障，其原因可追溯到材料质量和器件结构。在提高衬底和外延质量方面取得了快速而显著的进展;同时，使用了一种称为结势垒肖特基 (JBS) 的二极管结构，可以更优化地分布峰值电场。

　　2006 年，JBS 二极管演变为现在所谓的合并 pn 肖特基 (MPS) 结构，该结构保持了最佳场分布，同时通过结合真正的少数载流子注入，还允许增强浪涌能力 [3]。如今，SiC 二极管非常可靠，以至于它们已经表现出比硅功率二极管更有利的 FIT 率 [4]。

　　MOSFET 替代品

　　2008 年，首款 SiC 功率晶体管以1200 V 结型场效应晶体管(JFET)的形式投放市场。SemiSouth Laboratories 采用了 JFET 方法，因为当时双极结型晶体管 (BJT) 和 MOSFET 替代品存在一些被认为无法克服的障碍。尽管 BJT 的单位有效面积电流值令人印象深刻，但该器件有三个主要缺点：

　　首先，许多习惯于使用电压控制器件(如 MOSFET 或 IGBT)的设计人员不赞成切换 BJT 所需的大电流。

　　其次，BJT 的驱动电流通过具有较大内置电位的基极-发射极结进行传导，从而导致大量功率损耗。

　　第三，由于 BJT 的双极性作用，它特别容易受到一种称为双极性退化的器件损坏现象的影响 [5]。

　　另一方面，JFET 受到常闭 JFET 的限制，这可能会吓跑许多电力电子设计师和安全工程师。当然，可以绕过这一点进行设计，但简单性和设计优雅性是工程界被低估的优点。SemiSouth 也有一个常闭 JFET，但事实证明，它很难批量生产。

　　如今，USCi, Inc. 提供一种常开型 SiC JFET，它与低压硅 MOSFET 一起封装在级联配置中 [6]，这是适用于许多应用的优雅解决方案。尽管如此，由于 MOSFET 在控制方面与硅 IGBT 相似，但具有上述性能和系统优势，因此 SiC 功率器件的圣杯一直是 MOSFET。

　　SiC MOSFET 的演变

　　SiC MOSFET 存在很多问题，其中大部分都与栅极氧化物直接相关。1978 年，科罗拉多州立大学的研究人员测量了纯 SiC 和生长的 SiO2 之间的混乱过渡区，首次发现了问题的迹象 [7]。众所周知，这种过渡区具有高密度的界面态和氧化物陷阱，会抑制载流子迁移率并导致阈值电压不稳定;后来有太多研究出版物证明了这一点。

　　许多 SiC MOSFET 研究界的研究人员在 20 世纪 80 年代末和 90 年代进一步研究了 SiC-SiO2 系统中各种界面态的性质。

　　20 世纪 90 年代末和 21 世纪初的研究显著提高了人们对界面态(其密度缩写为 Dit)来源的理解，以及减少界面态和减轻其负面影响的方法。以下是一些值得注意的发现，在湿环境中氧化(即使用 H2O 作为氧化剂而不是干燥的 O2)可使 Dit 降低两到三个数量级 [8]。

　　此外，研究发现，使用离轴衬底可将 Dit 降低至少一个数量级 [9]。最后，Li 等人于 1997 年首次发现一氧化氮中的后氧化退火(通常称为氮化过程)可将Dit降低至非常低的水平 [10]。随后，其他六七个研究小组也证实了这一点，Pantelides 在论文中对这一系列工作进行了很好的总结 [11]。当然，如果不强调体生长和晶圆研究界的开创性贡献，那将是一个严重的遗漏，正是他们使我们从单纯的 Lely 片状晶圆发展到几乎没有会毁掉器件的微管的 150 毫米晶圆。

　　在接下来的几年里，SiC MOSFET 的已发表研究进展有所放缓，因为满怀希望的供应商正忙于开发他们想要商业化的进展。然而，最终改进的阶段已经准备就绪，旨在进一步提高阈值电压稳定性以及工艺改进和筛选，以确保可靠的栅极氧化物和完成器件鉴定。从本质上讲，SiC 社区越来越接近找到圣杯。

　　当今的 MOSFET 质量

　　在过去的两年中，商用的 1200 V SiC MOSFET 在质量方面取得了长足进步。沟道迁移率已上升到合适的水平;氧化物寿命已达到大多数主流工业设计可接受的水平，阈值电压也变得越来越稳定。

　　从商业角度来看，同样重要的是，这些里程碑已被多家供应商实现，其重要性留待后文讨论。在这里，我们证实了当今 SiC MOSFET 质量的主张，包括长期可靠性、参数稳定性和设备坚固性。

　　利用加速时间相关电介质击穿 (TDDB) 技术，NIST 的研究人员预测 Monolith Semiconductor 的 MOS 技术的氧化物寿命将超过 100 年，即使在结温高于 200°C 的情况下也是如此 [12]。

　　NIST 的工作使用了氧化物上施加的电场(大于 9 MV/cm)和结温(高达 300 °C)的寿命加速因子;作为参考，实际使用的氧化物电场约为 4 MV/cm(对应于 VGS = 20 V)，工作期间的结温通常低于 175 °C。还值得注意的是，虽然温度相关的加速因子在硅 MOS 中很常见，但在 NIST 使用 Monolith Semiconductor 的器件之前，他们从未在 SiC MOS 中看到过这种加速因子。

　　接下来，阈值电压稳定性已得到令人信服的证明，如图 1 所示。高温栅极偏置(HTGB) 在结温为 175 °C 且栅极电压为负 (VGS = -10 V) 和正 (VGS = 25 V) 时进行。根据 JEDEC 标准，对来自三个不同晶圆批次的 77 个器件进行了测试，未观察到任何显著偏移。

　　结论

　　硅 IGBT 在 20 世纪 80 年代对电力电子界产生了巨大的积极影响，自此以后一直是该行业的主力。下一项革命性技术将是 SiC MOSFET。

　　SiC MOSFET 的现状表明，其主要商业障碍已得到解决，包括价格、可靠性、耐用性和供应商多样化。尽管 SiC MOSFET 的价格高于 Si IGBT，但由于成本抵消的系统级优势，SiC MOSFET 已经取得成功;随着材料成本下降，该技术的市场份额将在未来几年大幅增加。经过四十多年的开发努力，SiC MOSFET 终于有望获得广泛的商业成功，并在绿色能源运动中发挥重要作用。

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