达新半导体 | 张海涛：Si/SiC/GaN 功率器件技术路线对比浅析 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

日前，达新半导体副总经理张海涛发表了《Si/SiC/GaN 功率器件技术路线对比浅析》主题演讲。

演讲围绕三种功率器件的多个技术路线进行对比，包括器件参数与测试、材料与工艺、可靠性思考及器件应用、未来发展预期等多个角度，深度剖析了Si/SiC/GaN 三种功率器件。

接下来跟我们一起通过演讲速记的形式，来回顾一下张总的精彩演讲。

很高兴今天能在这里跟大家作一个分享，首先简单介绍一下我们的情况，达新半导体主要是做IGBT的，所以在碳化硅圈子里大家对我们不是那么了解，我们目前也在做一些碳化硅器件，但还没有面向市场进行广泛的推广。另外我的博士课题主要做的是氮化镓器件，所以对三种器件都有一些自己的了解，今年借这个平台和大家做个交流。

很多人关心这三种器件的差异性在哪里？未来在哪里？未来的走向是什么样的？我们很难用一两句话说清楚，正好之前与姜南博士沟通的时候，他对这个话题也很感兴趣，所以干脆今天把大家关心的一些话题都摊开和大家交流下。

本次报告从以下六个方面展开，第一部分是概况与结构。

首先来看一下名称，目前碳化硅器件主要替代硅的IGBT市场，在这里我们对比的是硅的IGBT器件，硅的IGBT它的中文名称叫绝缘栅双极晶体管，从名称也能看出来，它是一个双极型器件。另外碳化硅跟氮化镓，分别叫金属氧化物半导体场效应晶体管，氮化镓是一个HEMT器件，是高电子迁移率晶体管，从名称可以看到，硅是一个双极型的，另外两种是单极型的器件，硅的IGBT可以等效为它是一个MOS管控制的PIN二极管，所以它是一个双极型器件。

再来从器件的结构上进行对比，这里画了示意图，从下往上看。

首先来看衬底，硅器件的衬底就是硅，碳化硅的衬底就是碳化硅，但氮化镓它的衬底要么是硅，要么是蓝宝石，再来看整个器件的漂移区，硅的IGBT因为漂移区相对比较厚，既可以使用单晶来制作，也可以使用外延来制作。但碳化硅的漂移区比较薄，一般使用外延来制作，氮化镓HEMT器件是非常复杂的结构，从整个栅极结构来讲，IGBT和碳化硅都可以采用平面栅或者是沟槽栅来制作，但是氮化镓HEMT器件目前使用的仍然是平面栅极。

再来看一下导电类型，IGBT和碳化硅都是垂直导电，电流在流动的时候都是从器件背面向正面流动，氮化镓HEMT器件是水平流动的，它的电流在这个示意图里可以看到，是从右边往左边流。再来看一下器件的导电类型，IGBT有少子的参与，开关速度就会变得比较慢。

再来看一下扫描电镜切片，可以看到IGBT目前最新的技术，比如说英飞凌的七代，都采用的是微沟槽结构，很容易实现静动态折中。碳化硅目前国内主流采用平面型结构，平面栅的碳化硅我们认为它仍然有很大的潜力可以挖掘，像昨天张老师也讲到了，目前所有的产品都是一代。氮化镓HEMT器件横向结构始终是未来发展的一个长期方向，后面也会讲为什么不做垂直的氮化镓。

再来看一下整个器件的版图，这是实际版图的截图，从这里可以看到IGBT和碳化硅正面只有两个电极，另外一个非常重要的电极是在背面的，但是氮化镓HEMT器件最核心的三个电极全部在正面，背面只是一个衬底的电极，用来做接地处理。

再来看一下封装外形的对比，在这里没有对比模块，全部对比的是单管器件。因为IGBT开关速度比较慢，所以我们使用的一般是TO-3L产品，但碳化硅多数使用的是TO-4L产品，以此来降低共源寄生电感CSI。氮化镓器件因为开关速度更快，主要采用贴片封装和TOLL封装，与驱动芯片进行合封处理，这也是比较主流的趋势。

接下来我们对比一下器件的参数以及测试方法，这对我们后面讲应用是有帮助的。我们在这里对比的是一款英飞凌的IGBT和Wolfspeed的碳化硅，以及一款GanSystem公司氮化镓器件。GaN主流量产的是650伏的产品，选定了氮化镓跟碳化硅都是25毫欧，同时根据电流选择了与碳化硅器件规格接近的英飞凌这一款IGBT。

我们在这里把相关的静态参数进行了抓取，通过参数直接来说我们的结论。

首先来看阈值电压，阈值电压这一个参数就是开启电压，是非常重要的参数，如果太高会影响输出能力，如果太低会容易误导通。Si器件具有最高的阈值电压，GaN器件阈值电压最低。目前氮化镓HEMT器件在应用中面临最多的挑战。

另外，从导通电阻可以看到，对比了100度跟25度下的变化比例，氮化镓HEMT它的变化比例是非常大的，这也意味着在高温下氮化镓HEMT器件电流能力衰退是非常严重的。

再看一下栅极安全阈值范围，从参数上可以看出硅器件就是非常宽的范围，目前在硅器件实际生产过程中，采用的栅氧厚度是800Å以上，栅极正常的正负安全范围是超过60伏的，非常安全。但是氮化镓和碳化硅安全范围是非常狭窄的。

另外氮化镓器件没有体二极管，没有任何雪崩能力，也就是大家测氮化镓HEMT器件的时候，无法真实每一颗都测击穿电压，只能测一个高压漏电，不能像IGBT和碳化硅一样可以准确读出来击穿电压。

另外再看一下它的反向导通压降，目前我们从下面VFSD可以看到，IGBT的反向导通压降是非常低的，但是碳化硅跟氮化镓的反向导通压降是非常高的，这个参数对整个应用也带来了很多的困扰。

再来讲一下器件的电流，很多人经常会问你的器件电流是怎么测出来的，我们要告诉大家一点，器件规格书上的电流不是测出来的，是算出来的。从产品手册上我们可以看到这个标称电流是直流电流。在这里我们首先要提到一个功率器件的灵魂参数，那就是热阻，通过热阻可以干什么呢？

在这里我们知道了热阻，同时知道了最高结温，通过最高结温Tjmax与标称电流指定的结温TC的温差再除以热阻，就可以算出来在这个温度下器件所允许的最大耗散功率。通过计算公式我们可以计算器件的直流电流了。IGBT需要把导通压降和电流做出一个关系式，通过迭代计算的方式来计算我们的电流值，MOSFET和HEMT的计算就更简单了，直接可以通过这个公式算出来。

我们把相关参数进行了提取，重新对三款器件的真实电流值重新进行了计算，我们可以看到每一款功率器件，它的实际电流一定是比Datasheet上标的电流是有余量的，但是这个余量每一家都不一样。

然后我们对整个器件的高温和低温的输出特性曲线进行了重新的提取，虚线的都是常温的，实线的是高温的。我们直接说我们的结论，IGBT在小电流范围内，相比于碳化硅MOSFET和氮化镓HEMT会有更高的压降。

IGBT的导通压降在它的小电流范围内，大概1/3标称电流以内它是一个负的温度系数，但在大电流范围内，IGBT导通压降呈现的是正温度系数。SIC MOSFET在小电流范围内高低温均比IGBT压降更低，在大电流范围内高低温均比IGBT压降更高，氮化镓HEMT的导通压降温度系数远高于另外两种器件。

刚才已经把静态参数，就是直流参数简单介绍了一下，我们再来看一下交流参数的对比，通过Datasheet没有办法直接对比交流参数，所以我们这里讲一下频率上限的计算，大家经常会问IGBT频率最高可以到多少？我们也是没法一两句话直接回答的。

我们来看一下频率上限的来源，刚才通过热阻可以计算最大允许耗散功率，但是刚才计算的时候，是在计算直流电流，所以我们通过最大允许耗散功率只是做了一个直流电流的计算。实际这三款功率器件实际工作中一定是工作在交流状态下，所以它的发热不是由直流功率决定的，而是由直流功率加上交流功率决定的。

在这里就列出了一个公式，以IGBT为例，真正的损耗就应该是 ∗ 然后乘上占空比D再加上Eon与Eoff之和乘以频率f，这才是真正工况下总的功耗。MOSFET器件在开关损耗这里会额外叠加一个体二极管的反向恢复损耗Err。

从公式可以看出来，如果电流减少，直流损耗是降低的。同时，如果电流降低了，开关损耗Eon、Eoff和Err也是会降低的，那么如果电流降低了，从公式我们就能看到，总最大允许耗散功率不变的情况下，频率f就可以提高。这也是我们经常会开玩笑跟一些客户说，你只要舍得花钱，3300V的IGBT大电流器件，只要使用电流够小，也可以工作到100KHz。

另外同一款芯片，封装不同，散热不同，那它的最大允许耗散功率就不同，上限频率也是不一样的。

因为氮化镓和碳化硅器件都是单极型器件，开关损耗远低于IGBT器件，因此频率上限远远高于IGBT，同时HEMT没有反向恢复损耗，所以它的高频特性比碳化硅还要好。

刚才我们把器件直流和交流参数简单讲了一下，再来看一下目前在行业内看到的有新意的测试方法。

IGBT发展非常成熟，已经看不到特别有新意的测试方法，近年来还能让我们眼前一亮的，就是多脉冲，通过8脉冲的方式实现从10%的标称电流测到300%标称电流甚至更高。

碳化硅MOSFET目前新的测试方法涌现的非常快，每年都有新的测试方法出来，像KGD筛选，晶圆级和成品级Burn in测试都非常多，但很多标准也正在制定当中。

另外在氮化镓测试方面，目前大家常用的还是传统的动态电阻测试。动态电阻的测试主要有两种，一种是施加一个直流电应力，另外一种是施加一百千赫兹以内的交变电应力。但是目前器件使用频率越来越高，已经到了两三百千赫兹，传统的100KHz的测试，已经无法满足要求，在我华峰测控做博士后期间，我们成功开发了超高频500KHz方波脉冲开关电应力测试的动态电阻，目前已经属于量产产品。有需要的朋友可以直接联系华峰测控进行测样或者咨询购买。

另外在我博士后课题期间，联合华峰测控提出了一个全新的测试概念，叫动态开关测试。动态电阻就是在施加电应力前和后，分别测一次电阻，动态开关就是在施加电应力前和后分别测一次开关参数，来对比器件的开关参数变化。上面这个曲线就是动态开关测试的曲线，中间那一条是电应力前后的电流开关曲线，我们从曲线上可以看到，橙色的是电应力前的，绿色的是电应力后的，电应力之后它的下降沿的关断时间增加了一个微秒。

如果我们工作在这种超高频下，它的死区时间本来可能就只有一个微秒，如果它的关断时间延长了一个微秒，会发生什么呢？比如我们在LLC谐振电路中，很容易发生一点就是上下桥臂直通，这是非常危险的一个事情。所以通过我们设备的筛选，是可以实现产品的检测或者分档。我们这种测试方法也是为了推动氮化镓器件应用生态的进一步成熟。需要该设备的朋友也可以与华峰测控联系。

刚才我们讲完了参数，现在回过头来从根上把材料和工艺讲一下。首先这里展示的是三种器件材料参数的对比，在这里可以看到氮化镓器件列了两种参数，一种是体材料参数，一种是二维电子气参数。氮化镓是非常具有发展潜力的，但氮化镓HEMT器件确实存在挑战。如果使用氮化镓体材料去做器件，就放弃了二维电子气优质的性能参数。甚至说体材料参数相比于SiC来说性能参数都没有什么质的提升，至少现阶段，氮化镓的垂直结构它的实际使用价值有待商榷。

另外氮化镓HEMT器件有非常好的抗辐射能力，本身SiC材料抗辐射能力有很大的提升，但SiC MOSFET所使用的栅极下面的绝缘层还是二氧化硅，所以它真正的电子抗辐射能力并没有大幅度的提升。目前氮化镓和碳化硅参数与理论值有很大的差异，像沟道迁移率、最高结温，目前与理论值仍然差异巨大。

我们再看一下材料到结构的变化，IGBT材料可以是FZ或者MCZ的单晶以及外延，主要是因为它的漂移区比较厚。碳化硅MOSFET是需要在一个高掺杂的衬底上来生长薄的外延漂移区。

但氮化镓HEMT就完全不一样了，以硅衬底为例，我们要在P型111晶向高掺杂衬底上，首先生长一层NL成核层，再生长一层SRL超晶格层，然后再生长一层C-doped碳掺杂层来提高击穿电压，然后再生长一层UID非掺杂层，在非掺杂层上面生长AlGaN层，铝组分一般是25%，在AlGaN层上再生长一层P-GaN层，来形成栅极，这是整个外延结构。大家可以看到氮化镓HEMT器件，材料比晶圆加工工艺更重要，晶圆工艺结构很简单，材料非常复杂。

我们再来对比整个芯片正面的加工工艺，栅极结构刚才已经讲过了，在这里要讲的一点，氮化镓栅极有的器件有一些浅凹槽结构，但是浅凹槽结构并没有改变电子流向，二维电子气始终是水平界面流动，所以仍然是平面栅。在终端结构方面，硅器件有各种复杂的结构终端，碳化硅目前以场环为主，主要是因为如果使用场板，需要用二氧化硅作为绝缘介质，二氧化硅的击穿场强跟碳化硅的临界击穿场强是同一数量级，所以它使用场板是非常危险的，现在主要以场环为主。氮化镓HEMT的器件不能形成很好的有效掺杂，不能形成场环，所以主要是以场板为主。

在离子注入方面，IGBT采用的是普通的离子注入，碳化硅使用的是500度左右的高温离子注入。氮化镓HEMT功能区基本上不需要注入，注入主要是形成一些隔离。

在杂质激活和扩散方面，硅器件最高可以使用到1300度，而且在高温时候一定伴随着扩散，因为在很低的温度下扩散系数已经很高了。碳化硅器件目前激活使用的温度是1700度以上，在激活的同时几乎没有扩散，真正实现有效的扩散系数需要在2000度以上。

从正面金属来讲，IGBT和碳化硅都采用的是单层金属，单层金属不一定是一种金属，可能是多种金属叠层也有可能，但是多种金属之间没有介质隔离。目前氮化镓HEMT多采用多层金属，要重新对正面的三个电极进行重新的布局布线。

工艺成熟度方面，硅肯定很成熟了，碳化硅在栅氧工艺、沟道迁移率、沟道宽度控制方面还有很多Know How，各家有各家自己的Know How。氮化镓HEMT器件我们认为整个外延决定了整个器件70%的性能，如果一个公司说自己是氮化镓的IDM，如果他自己不长外延，我们不认为他是一个IDM。

刚刚讲完了正面，我们现在讲一下背面的工艺。首先就要讲到减薄，IGBT目前的减薄厚度可以做到50多个微米，这是很容易实现的，碳化硅可以做到一百多个微米，氮化镓目前还是要做到比较厚的厚度，主要因为晶格的失配带来的应力比较大。

减薄之后IGBT需要进行多次注入和激活退火，以及背金工艺，碳化硅需要进行多次背金，先做一层镍，然后激光退火形成镍合金，然后再做后面的金属，氮化镓HEMT是简单的背金。在背面离子注入方面，IGBT需要做离子注入以及离子注入的激活，其他是不需要的。背面激光退火的目的，IGBT是为了做杂质激活，碳化硅是为了形成镍合金，降低欧姆接触电阻。

在这里可以看到可靠性测试方法，IGBT是比较成熟的，碳化硅是新的测试方法不断的在涌现，但氮化镓它的发展相对比较缓慢。在失效机理方面，硅比较成熟，碳化硅和硅有相似性，但这种特殊的材料以及材料中存在的缺陷，带来了自己的差异性。氮化镓HEMT器件和硅的差异性非常大，另外它的主要失效不在于寿命可靠性失效，而是在于整个应用生态不成熟带来的应用端的失效。车规的要求目前都在借鉴硅器件的标准。