SiC-MOSFET技术发展回顾

碳化硅（SiC）是一种应用广泛的工业材料。大规模生产碳化硅公司开始于1893年后发现的艾奇逊过程，这仍然是使用。碳化硅很少在自然界中发现，例如在陨石中，作为矿物莫桑石。碳化硅的主要用途是作为研磨材料，由于其硬度，但它已发现在汽车制动盘的用途，作为汽车润滑油的添加剂，并作为珠宝首饰钻石的替代品。最近，它被用作电子材料，最初用于发光二极管（LED），最近用于电力电子器件，包括肖特基势垒二极管（SBD）、结场效应晶体管（JFET）和MOSFET晶体管。sicmosfet因其取代现有硅超结（SJ）晶体管和集成栅双极晶体管（IGBT）技术的潜力而备受关注。

The semiconductor device potential of silicon carbide has been known for many years. In 1962 Lloyde Wallace at Westinghouse patented (3254280A美元)碳化硅单极晶体管器件。它本质上是一个结场效应晶体管。图1显示了劳埃德1962年专利中的图5。在P型SiC体中形成N型沟道区。源极/漏极触点形成到N型沟道。栅极结构位于源极和漏极之间，相应的栅极电极位于SiC衬底的底侧。碳化硅基JFET目前正在曼，尽管为了提高性能，它们基于垂直设计，其中源极和栅极位于SiC芯片的顶部，漏极位于背面。

本文首先介绍了碳化硅用于电力电子器件的优点B. Jayant Baliga北卡罗来纳州立大学（NCSU），1989年¹. 巴利加在通用电气任职期间，以发明IGBT而闻名。他现在是南科大杰出的大学教授。他推导出了一个价值系数，表示为BHFFOM，这表明可以通过使用具有更大迁移率和更高临界击穿场的半导体（例如SiC甚至金刚石）来降低功率损耗。在这段时间里，出现了一系列与SiC的功率半导体应用相关的专利活动。

One of the key inventors at that time was John Palmour, who co-founded Cree in 1987, in the Research Triangle Park, NC; and where he is now the CTO for Power and RF technology. Cree has been one of the major drivers for SiC power device technology. While he was still at NCSU, as a graduate student, Palmour filed in 1987 a critical patent leading to the development of SiC-based MOSFET transistors.

这项开创性的专利(US4875083A)本发明涉及在SiC衬底上形成MOS电容器结构。引言介绍了当时碳化硅的发展状况：

无花果。本专利的图1和图2示出了所述MOS电容器的结构，如下面的图2所示。所述电容器包括到掺杂SiC衬底的圆形欧姆接触以及在氧化物层上的中心圆形金属接触。由于衬底SiC中载流子的耗尽，电容随外加电压的变化而变化。MOS电容结构对MOSFET晶体管的形成至关重要。

Curiously, an apparatus patent describing a simple planar MOSFET transistor on a SiC substrate does not appear to exist. Likely, the concept would have been considered obvious to “a person having ordinary skill in the art” at that time. There are various patents describing methods for making MOSFET transistors on SiC substrates and there are patents describing variations on the basic structure simple MOSFET structure. For example, Yoshihisa Fujii, Akira Suzuki and Katsuki Furukawa filedUS5170231A1990年描述了一种具有不对称源漏电导的SiC MOSFET。此后不久，1992年，约翰·帕尔穆尔申请了他的开创性专利(5506421A美元)描述了垂直沟道栅SiC MOSFET的结构。该申请于1996年获得批准，现在已经超过20年了，因此该专利已经过期，并且所描述的概念现在处于公共领域。然而，有许多与SiC MOSFET相关的专利在该专利之后仍然有效。例如，一项搜索显示，Cree拥有700多项与SiC MOSFET技术相关的现行专利。

本发明的图1所述的垂直沟道栅SiC MOSFET的结构5506421A美元如下图3所示。该专利要求在碳化硅衬底（可能是N型）的C面上形成具有低导通电阻和高温度范围的垂直功率MOSFET。在衬底上形成N漂移层，接着形成P沟道层。沟道栅穿透P沟道层，形成N+源区。金属源极和漏极分别位于模具的顶部和底部。这种沟道结构有时被称为UMOS（U形栅），以区别于平面DMOS（漂移MOS）设计。

我们现在快进到2011年，当克里推出市场上第一个碳化硅功率MOSFET，即CMF20120D型设备。CMF20120D是一种垂直N沟道增强型SiC MOSFET。TechInsights完成了结构分析of this device shortly after it appeared on the market. Figure 4 shows a cross-sectional SEM micrograph of the planar transistor gates in the CMF20120D device. The N+ source and P-type body implants have been delineated in this SEM micrograph. The CMF20120D is still available from the Wolfspeed division of Cree.

自2010年以来，SiC功率MOSFET市场已经显著扩大，目前每年超过2亿美元。随着SiC在汽车、光伏和铁路等多个市场取代Si技术，许多新的参与者已经进入市场，预计年复合增长率将达到两位数。通常，碳化硅功率MOSFET的设计工作电压为1200或1700V，旨在取代IGBT技术。最近，650v sicmosfet器件被公布，其目标可能是与Si超结和GaN基技术竞争。

看来，中铁二院继续专注于平面碳化硅MOSFET技术(裁判)不过，英飞凌（Infineon）和Rohm等其他厂商也提供trench或UMOS技术。相比之下，STMicroelectronics也专注于平面SiC MOSFET技术。图5显示了在Rohm上发现的沟槽门的横截面SEM显微照片SCT3022AL650V SiC N沟道MOSFET。TechInsights对该设备进行了全面的测试结构分析².

Comparison of Figure 5 with Claim 1 of5506421A美元shows that the Rohm SCT3022AL uses many of the features claimed in John Palmour seminal trench SiC MOSFET patent. For example, the SEM image shows the presence of a trench, an insulating layer, and a gate electrode. Further detailed analysis, including transmission electron microscopy (TEM) and scanning microwave impedance microscopy (sMIM), would be required to demonstrate which claim elements are being used.

碳化硅是一种颠覆性的技术，开始获得市场牵引，因为它取代了各种关键电力电子市场的基于硅技术。自1980年代中期以来，主要发明人完成了创新工作。预测是SIC电源电子市场将超过2025美元，可能越早超过1B美元（裁判).

¹B. J. Baliga, “Power semiconductor device figure of merit for high frequency applications.” IEEE Electron Device Letters 10 (10), 1989.
²RoHM半导体SCT3022ALGC11 SIC MOSFET Power Essentials，PEF-1905-802，TechInsights Inc. 2019。