碳化硅（SiC）产业研究

来源：雪球App，作者： 摸鱼的小颜，（https://xueqiu.com/3593206238/204992338）

转载自：信熹资本

Part IV 碳化硅功率器件设计

01 | 功率器件简史

功率器件作为电力电子装置中的核心元件,其发展直接影响着电力电子学科的走向。每一代具有代表性的功率器件的问世都引起了电力电子学科的一次革命。功率器件的发展大致可以划分为四个阶段：半控型功率器件阶段，单极型功率器件阶段，双极型功率器件阶段，新材料功率器件阶段。

图表1 | 功率半导体器件发展历程

1957年美国通用公司（GE）研制出了世界上第一只晶体闸流管（简称晶闸管,SCR）。SCR的问世使得电力电子技术迈开了发展的第一步，这标志着现代电力电子技术的诞生，从此电力电子技术逐渐深入工业生产、国计民生的各个领域。

至今,在l0kV以上的高压电力场合,SCR仍有着一定的应用空间。SCR是一种半控型器件,其基本特点是可以通过门极控制开通,但关断需要导通电流降为零而无法通过门极电流的关断实现。SCR具有功率容量大、应用技术成熟、价格低廉等优点,但其控制电路结构复杂且只能工作在开关频率较低的电力电子应用场合。

70年代后期,可幵关断晶闸管(GTO)实现了门极可关断功能,并使斩波电路的工作频率扩展到1kHz以上。巨型晶体管(GTR，从属于双极型晶体管BJT)的问世在一定程度上弥补了SCR应用中的不足,这是因为GTR具有低导通电阻和高阻断电压的优点。所以,在中小功率应用领域中GTR逐渐取代了SCR。然而,GTR是一种电流控制型器件,其电流增益较小,这导致了其控制电路设计复杂,不易实现。此外,在电力电子装置高频化的趋势下,GTR的开关速度难以满足。

20世纪70年代末,诞生了MOS（金属氧化物半导体）型功率器件。MOSFET是一种场效应功率器件（电压控制器件）,通过控制栅极电压控制器件的开关过程。MOSFET具有驱动电路简单的优点，同时MOSFET是一种单极性器件,没有电导调制效应，这较大地提高了其开关速度，使得MOSFET在高频场合成为最主要的功率半导体器件。但是，也正是由于没有电导调制效应，随着器件耐压的增大，MOSFET的导通电阻也随之增大，这将导致非常严重的导通损耗，所以现在MOSFET多用于中低压场合。

80年代初,科研人员通过将MOSFET和GTR（或BJT）结合起来,研制出了绝缘栅双极性晶体管IGBT，兼具MOSFET的快速性、GTR的低通压降两方面优点。IGBT是一种混合型器件,其具有诸多优点，如电压控制、高输入阻抗、低驱动功率、低导通电阻、低开关损耗、高工作频率。IGBT是一种极适合用于中大功率场合的功率器件，现在己经成为电力电子应用领域的主导功率器件。

比较典型、常用的四种功率器件的各项参数、应用领域，比较如下表所示：

图表2 | 常用的四种功率器件比较

如今,硅基功率器件已经发展到了相当成熟的地步。为了进一步实现人们对高频、髙温、高功率密度等具有理想特性功率器件的追求,越来越多的功率器件研究工作转向了新型半导体材料的功率器件。

其中,尤以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽禁带材料功率器件的研究最为活跃。宽禁带半导体材料具有高的禁带宽度、高的饱和电子漂移速度、高的击穿强度、低的介电常数等特点,这些物理特性决定了氮化镓和碳化硅在高温、高频、高功率应用场合是极为理想的半导体材料。宽禁带器件的发展必将给电力电子器件的发展带来又一次革命。

氮化镓材料器件以高电子迁移率晶体管HEMT为代表,碳化硅材料器件以碳化硅肖特基二极管（SBD）和碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）为代表。其中，碳化硅MOSFET是电力电子领域最受重视、最有可能导致新一轮电力电子领域革命的宽禁带半导体器件,是当前电力电子科研工作的研究热点。

02 | 常用碳化硅功率器件

目前碳化硅功率器件主要定位于功率在1kW～500kW之间、工作频率在10kHz～100MHz之间的场景，特别是一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用，如电动汽车车载充电机与电驱系统、充电桩、光伏微型逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域，可取代部分硅功率器件。

当前电动汽车的车载充电机市场已逐步采用碳化硅SBD（肖特基二极管），产品集中在1200V/10A、20A，每台车载充电机需要4～8颗碳化硅SBD，全球已有超20余家汽车厂商开始采用。

电动汽车的电驱系统，主要指功率控制单元PCU，管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统PCU使用硅快恢复二极管（FRD）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）等器件制成，强电流与高压电穿过硅功率器件时的电能损耗是电动汽车最主要的电能损耗来源，而使用碳化硅SBD、MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）可降低10%的总能量损耗，并可使PCU体积降低80%，令车辆更为紧凑轻巧。

碳化硅MOSFET取代硅IGBT是电驱系统发展的必然趋势，预计该市场将在碳化硅MOSFET成熟可靠后全面启动。目前，特斯拉Model 3的电驱系统已采用了ST所提供的碳化硅功率器件，丰田也推出了搭载碳化硅功率器件的电动汽车。

根据Yole Development预测，2018年新能源汽车占碳化硅器件市场约27%的份额，市场规模约1.13亿美元，得益于碳化硅MOSFET性能和可靠性的提高，未来3～5年内，碳化硅MOSFET有望在新能源汽车传动系统主逆变器中获得广泛应用，未来5年内驱动碳化硅器件市场增长的主要因素将由碳化硅二极管转变为碳化硅MOSFET，因此至2024年其市场规模将大幅增长，占整体碳化硅功率器件市场的50%，市场规模超10亿美元。即2024年，碳化硅器件全球市场将超20亿美元。

（1）碳化硅功率二极管

二极管是最简单的功率器件（如下图），由P极和N极形成PN结结构，电流只能从P极流向N极。二极管由电流驱动，无法自主控制通断，电流只能单向通过。二极管的作用有整流电路、检波电路、稳压电路和各种调制电路。二极管承受的电压较低（硅二极管导通电压为0.7V，锗二极管为0.3V），承受的电流一般不超过几十毫安，电压和电流过高会导致二极管被击穿。常见的二极管有PIN二极管（PND）、肖特基二极管（SBD）、快恢复二极管（FRD）等。

图表3 | 二极管及其单向导通特性

整流器由二极管与一些金属堆叠而成，二者在功能上相似，因此将二极管和整流器合并统计。根据Yole的数据，2019年全球二极管及整流器市场规模为39.93亿美元，占功率器件市场规模的23.99%。

（1.1）肖特基二极管（SBD）

碳化硅肖特基二极管是速度最快的高压肖特基二极管，在开关应用中，几乎没有反向恢复时间，可大幅降低开关损耗、提高开关频率。但是由于高电压下碳化硅的肖特基势垒比硅薄，如果进一步提高碳化硅肖特基势垒二极管的阻断电压，隧穿效应会导致反向漏电流增大，这大大限制了碳化硅SBD的更高压应用。

图表4 | SBD结构与电路图形符号

碳化硅SBD与硅SBD相比，总容性电荷（Qc）较小，能够在实现高速开关操作的同时减少开关损耗，因此它们被广泛用于电源的功率因数校正电路（PFC 电路）中。

硅快速恢复二极管（FRD）在从正向切换到反向的瞬间会产生极大的瞬态电流，在此期间转移为反向偏压状态，从而产生很大的损耗。正向电流越大，或者温度越高，恢复时间和恢复电流就越大，从而损耗也越大。

与此相反，碳化硅SBD是不使用少数载流子进行电传导的多数载流子器件（单极性器件），因此原理上不会发生少数载流子积聚的现象。而且，该瞬态电流基本上不随温度和正向电流而变化，所以不管何种环境下，都能够稳定地实现快速恢复。因此，如果用碳化硅SBD替换现在主流产品硅FRD，能够明显减少恢复损耗。

图表5 | 碳化硅SBD替代较高压硅PND、FRD

来源：Rohm

这些优势有利于电源的高效率化，并且通过高频驱动实现电感等无源器件的小型化、低噪化，可广泛应用于空调、电源、光伏发电系统中的功率调节器、电动汽车的快速充电器等的PFC电路和整流桥电路中。例如，KinkiRoentgen公司用于X射线发生器的500瓦电源采用了Rohm公司的碳化硅SBD，使每瓦的电源体积比旧系统减小约80%。

（1.2）结势垒肖特基二极管（JBS）

为了充分发挥碳化硅临界击穿电场强度高的优势，满足高压、高速应用，降低反向漏电流，将SBD和PIN二极管组合成一种新的器件，称为结势垒肖特基二极管（简称“JBS二极管”），是在肖特基二极管的漂移区集成网状的p+区，金属阳极在n型漂移区上形成肖特基接触，在p+区上形成欧姆接触。

与SBD相比，JBS在正向模式下有更高的浪涌电流容限，反向模式下泄漏电流更低，阻断电压高。与PIN相比，由于JBS的PN结面积相对较小，其导通电阻、关态损耗更低，反向恢复特性较好。碳化硅JBS已成为一种耐高压、耐高温、高速的理想开关管。

图表6 | JBS二极管的结构及电路图形符号

（2）碳化硅功率晶体管

（2.1）金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）

MOSFET在目前的超大规模集成电路（VLSI）中占有极其重要的地位。与传统硅MOSFET相同，碳化硅MOSFET为单极性、电压全控型功率半导体器件，其工作原理也与硅MOSFET相同，主要分为以下两点:

①截止：当栅-源极电压VGS=0时,漏极与源极间的PN结处于反向偏置状态,即使在漏-源极间存在正向电压,p区内载流子也不会移动,漏-源极之间无电流流过。

②导通：栅-源极施加正电压时首先会将p区的空穴推开,将p区中的少子（电子）吸引到p区表面。当VGS＞VGS,th（开通阈值电压）时，p区表面的电子浓度将起过空穴浓度，使P型半导体反形成N型，形成反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失,漏-源极间导电。

图表7 | 碳化硅MOSFET器件结构

作为单极功率器件的碳化硅MOSFET，在阻断电压300V～4500V范围内，由于其低导通电阻、高输入阻抗、高开关速度等优势，将成为理想的高压功率开关器件，完全有可能取代硅IGBT器件，提高系统的整体效率、开关频率。例如，日本三菱电机采用碳化硅MOSFET和SBD开发出一台11kW的逆变器，相比于传统的硅器件逆变器，功率损耗降低70％。

（2.2）晶闸管（SCR）

晶闸管可应用于高压直流功率系统，在兼顾开关频率、功率处置能力、高温特性方面最能发挥碳化硅材料的特长。碳化硅晶闸管相对于硅晶闸管有着更低的正向压降、更快的转化速度、更高的阻断电压、更高的工作温度，因而备受关注。与碳化硅MOSFET相比，对3000V以上的阻断电压，其通态电流密度可以高出几个数量级，因而特别适合于交流开关方面的应用。对于直流开关方面的应用则是碳化硅GTO（门极可关断晶闸管）之所长。

（2.3）结型场效应晶体管（JFET）

单极功率器件JFET的优点是不需要栅氧化层，能提供相对较高的输入阻抗（虽然没有MOSFET的高），回避了目前碳化硅MOSFET存在的沟道迁移率低、栅氧化层质量等问题，制备工艺相对MOSFET要简单。但JFET通常是常开型（耗尽型）器件，而大多数功率控制系统要求是常闭型（增强型）器件，这导致其在电力电子应用上受到了限制。

（2.4）双极型晶体管（BJT）

碳化硅可以制造出导通电阻较低、阻断电压高达数十千伏的BJT器件。对于4.5kV及更高阻断电压的应用，双极型碳化硅功率器件将比单极型碳化硅功率器件更有实际应用价值。与大多数场效应晶体管相比，BJT具有更高的载流子处理能力、更低的导通电阻，而且它是其他双极型器件的重要组成部分。

在许多情况下碳化硅BJT比碳化硅功率MOSFET更容易制备，碳化硅BJT不像MOSFET那样会遇到氧化层品质严重影响器件特性的问题。但是，BJT是电流控制器件，在开态有较高的输入驱动电流和较低的输入阻抗。这会带来额外的功率耗散，使驱动电路的设计复杂化。

（2.5）缘栅双极晶体管（IGBT）

在超高压应用领域（＞5kV），碳化硅单极器件由于没有类似双极器件的少子注入产生的电导调制效应，随着器件击穿电压的提高，其导通电阻急剧增大，极大地限制了其在超高压系统的应用。

电力电子技术和微电子技术相结合而产生的全控型、高频化的电力电子器件——绝缘栅双极晶体管（IGBT），是将金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）和双极型晶体管（BJT，包括GTR）相结合制备而成的复合型器件，集MOSFET的栅极电压控制特性和BJT的低导通电阻特性于一身，兼具有场效应晶体管和双极型晶体管的优点，其驱动功率小、工作频率高、开关损耗低、导通电阻低、电流密度大等，是目前应用最广泛的功率器件之一。

碳化硅IGBT适用于超高电压（5kV以上）低频领域。作为高压直流输电换流站中变换器的全控型核心器件，IGBT可实现在直流输电过程中交直流的高效快速转换。碳化硅IGBT是最有希望应用到高压直流输电、舰船驱动等领域的高效节能的宽禁带半导体器件。

03 | 碳化硅MOSFET

（1）与硅器件的比较优势

由于碳化硅有较高的禁带宽度，碳化硅功率器件可承受较高的电压（从600V到10kV）和功率，其器件体积可变得更小，约为硅基器件的1/10。同样由于其高禁带宽度，碳化硅器件可进行重掺杂，碳化硅器件的电阻将变得更低，约为硅基器件的1/200。

相同规格的使用碳化硅MOSFET的逆变器与使用硅IGBT的逆变器相比，总能量损失小于 1/4。

图表8 | 同规格碳化硅器件与硅器件对比情况

来源：Rohm

为了实现比硅MOSFET小的导通电阻，硅IGBT通过电导率调制向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，但同时由于少数载流子的积聚，在开关关闭时会产生尾电流，从而造成极大的开关损耗。

碳化硅器件的漂移层厚度低于硅器件，因此导通电阻低于硅器件，仅采用MOSFET就能实现高耐压和低阻抗。MOSFET不采用电导率调制，在开关过程中几乎不产生尾电流（如下图），可实现更低的开关损耗、更高的工作频率，能够在IGBT不能工作的高频、高温条件下驱动，可实现散热部件的小型化。

比如，20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半， 50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势。

图表9 | 碳化硅MOSFET与硅IGBT的关闭特性

来源：Rohm

随着环境温度升高，碳化硅MOSFET的导通电阻增加量很小，而硅MOSFET的导通电阻则随着温度升高而明显上升，甚至可能上升2倍以上。

图表10 | 碳化硅器件与硅器件的导通电阻的温度特性

来源：Rohm

碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间Trr、反向恢复电荷Qrr。如下图所示，同一额定电流900V的器件，碳化硅MOSFET寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅MOSFET的5%。对于桥式电路来说（特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候），这个指标非常关键，它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，便于提高开关工作频率。

图表11 | 碳化硅MOSFET与硅MOSFET体二极管反向恢复的比较

此外，碳化硅器件还具有更优异的封装微型化和节能的优点，例如900V时，碳化硅MOSFET的芯片尺寸只有硅MOSFET的1/35，就可以实现相同的导通电阻。同时，硅MOSFET的最高耐压只有900V，但是碳化硅却能够以很低的导通电阻轻松实现1700V以上的耐压。

封装微型化和节能的优势将直接体现在功率模块上，以丰田采用的6.1kW碳化硅OBC模块为例，其功率密度是3.3kW硅OBC模块的4倍。

图表12 | 丰田的OBC模块

来源：Cree

（2）器件结构改进

从MOSFET功率器件的发展历史看，大致可以将其分为平面型（planar）和沟槽型（trench）两种结构。

下图所示为平面型MOSFET的典型结构，栅极处于晶圆表面。该结构是在20世纪70年代末被提出，并一直使用到现在。工艺上，先进行P-body的注入和退火,然后进行N+的注入和退火,通过控制横向扩散的长度来形成沟道。该结构因为漏极在下面,并且采用双扩散形式形成沟道,所以也叫VDMOS（Vertical Double-diffused Metal Oxide Semiconductor）。当栅源电压Vgs突破阈值电压后,MOSFET形成沟道从而电子可以按照图中虚线箭头的路线行进从而形成电流。目前的主流产品是平面型结构，主要制造商为美国Cree、GE等。 

图表13 | 平面型MOSFET截面图

平面型结构一个最大的缺点是，由于栅极下面左右两个P-body与N型外延层形成了P-N-P的类似JFET的结构，导致该段路径导通电阻很高。对于N沟道的MOSFET，通常采用在JFET区注入磷（P）离子的方法来降低导通电阻。在20世纪80年代末期，随着沟槽刻蚀技术的发展，沟槽型MOSFET被提出来，该结构很大程度上降低了导通电阻。

下图所示为沟槽型MOSFET，将栅极埋入晶圆内。栅极通过沟槽刻蚀，沉积多晶硅来实现。沟道由横向变成了竖向。由于栅极是插入到硅片里面，不会存在P-N-P的JFET结构，并且在栅极下面与N型漂移层接触的地方所产生的积累层电阻非常小，所以与平面型结构相比，沟槽型结构的导通电阻很低。

图表14 | 沟槽型MOSFET截面图

沟槽型MOSFET栅极和漏极接触面积比较大,相对来说,沟槽型结构的寄生电容会大一些。在承受电压时,体二极管电场线被沟槽所挤压,场强最大处常在沟槽底部拐角处,所以击穿点通常也在沟槽底部拐角处,如果击穿电压设计的过大，则会对器件的可靠性会产生影响，所以沟槽型MOSFET的击穿电压通常在200V以下，而高压应用大部分采用平面型MOSFET。沟槽型的主要制造商有德国Infineon、日本Rohm、Toyota、Denso等。

平面型与沟槽型MOSFET的对比如下图表所示。当前主流产品是平面型结构，沟槽型结构正在逐步成熟，并有进一步发展演变。

图表15 | 平面型与沟槽型MOSFET对比

（3）碳化硅功率模块

实际应用中，硅IGBT、FRD通常被封装为硅功率模块，而碳化硅MOSFET与碳化硅SBD灌封在一起形成碳化硅功率模块，在高压应用中可取代硅功率模块。

图片

（a）分解图

               （b）实物图                             （c）等效电路图

图表16 | 碳化硅功率模块

碳化硅功率器件的性能优势主要体现低关断损耗、低导通损耗。通过两组实验对比数据可以发现，由硅IGBT、FRD组成的模块在开关关断时会产生尾（tail）电流，从而产生不必要的开关损耗；由碳化硅MOSFET、SBD组成的模块的关断损耗（Eoff）降低了88%。

同时，因为尾电流随温度升高而增加，高温时硅IGBT损耗较碳化硅MOSFET 进一步加大。硅IGBT、FRD模块在开关导通时，恢复电流（红色虚线圈起部分）是开关导通时的一大损耗， 而碳化硅MOSFET、SBD模块中则几乎无相应波形，碳化硅 MOSFET、SBD模组的导通损耗 Eon，比硅IGBT、FRD模组降低了34%。

图表17 | 开关关断损耗（Eoff）降低88%

来源：Romh

图表17 | 开关导通损耗（Eon）降低34%

来源：Romh

碳化硅MOSFET模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）内功率控制单元（PCU），使用碳化硅MOSFET模块，体积比减小到1/5。三菱开发的EV马达驱动系统，使用碳化硅 MOSFET模块，功率驱动模块集成到了电机内，实现了一体化和小型化目标。

04 | 碳化硅器件驱动

碳化硅MOSFET与硅IGBT、MOSFET一样都属于电压控型开关器件，在驱动方面有许多相似之处，其驱动电路可以借鉴已有的硅器件的驱动电路设计方法，但碳化硅与硅功率器件存在差异，对于驱动电路的要求有所不同。

（1）防串扰功能

由于碳化硅MOSFET具有高速特性，所以在驱动电路设计中常常选择增大驱动电路的驱动能力，这会使碳化硅MOSFET漏源极电压在开关瞬间经历极快的变化，引发相邻器件之间的串扰。若串扰过于严重，可导致MOSFET误开启，造成串通问题、输出被干扰等问题。

因此在碳化硅MOSFET驱动电路的设计中，防串扰功能尤其重要，虽然在硅MOSFET中同样存在串扰问题，但由于硅MOSFET的瞬间电压变化远小于碳化硅MOSFET，所以在碳化硅MOSFET驱动电路中需要着重考虑串扰问题。

抑制串扰的方法主要分为两种，一种是采用有源密勒钳位技术，当检测到MOSFET器件处于瞬态过程时，动态启用密勒钳位电路，抑制串扰的发生；第二种是斜率控制技术，即通过控制驱动能力的大小，分段控制瞬态驱动能力。

（2）欠压保护功能

碳化硅MOSFET需要足够大的稳态开启栅源电压，以保证导通电阻足够小，从而降低功率级损耗。当碳化硅MOSFET处于关断状态时，其栅源电压应加负压，如果负压值没有达到要求值，则可能会导致功率级的串通现象，严重时会导致MOSFET器件烧毁。

（3）短路保护功能

相比同等级的硅IGBT或MOSFET，碳化硅MOSFET能承受短路的时间更短，且重复短路后会出现老化现象，因此碳化硅MOSFET的短路保护电路对反应时间提出了更高的要求，最好在2µs内封锁短路脉冲。

短路保护首先需要检测到故障，然后配合驱动板将驱动脉冲封锁，所以检测电路很关键。目前常用保护方法有三种，一是检测导通漏源极电压VDS(ON)法，漏源极电压大小可以反映漏极电流，通过检测在开通状态下的导通压降来判断是否发生短路；二有是检测电流或电流变化率法，通过检测电流判断是否发生过流，但此方法不适用于模块；第三种是驱动电压检测和栅极电荷检测相结合。这三种方法比较如下图。

图表19 | 碳化硅MOSFET短路保护方法

（4）主要企业

目前主流的碳化硅MOSFET驱动厂商有ONSemi、Infineon等，这些厂商研制了碳化硅MOSFET专用驱动芯片，而不是以硅IGBT驱动芯片来驱动碳化硅MOSFET。其中，ONSemi的驱动芯片拥有大驱动能力、完善的保护功能，Infineon的驱动芯片具有两级关断技术，以抑制关断瞬态中的dv/dt。

Part V 碳化硅功率器件制造

01 | 芯片制造

碳化硅SBD与MOSFET的基本制造方法相同，SBD结构简单、制造工艺相对简单，MOSFET的制造工艺相对复杂，以结构最简单的横向、平面型MOSFET为例说明如下：

（1）图形化氧化膜。清洗晶圆，制作一层氧化硅（SiO2）薄膜，涂布光刻胶，经过匀胶、曝光、显影等步骤形成光刻胶图形，最后通过刻蚀工艺将图形转移到氧化膜上。

图表1 | 注入掩膜

（2）离子注入。将做好掩膜的碳化硅晶圆放入离子注入机，注入铝（Al）离子以形成p型掺杂区，并退火以激活注入的铝离子。移除氧化膜，在p型掺杂区的特定区域注入氮（N）离子以形成漏极和源极的n型导电区，退火以激活注入的氮离子。

图表2 | 离子注入

（3）制作栅极。在源极与漏极之间区域，采用高温氧化工艺制作栅极氧化层，并沉积栅电极层，形成栅极（Gate）控制结构。 

图表3 | 制作栅极

（4）制作钝化层。沉积一层绝缘特性良好的钝化层，防止电极间击穿。

图表4 | 制作钝化层

（5）制作漏极和源极。在钝化层上开孔，并溅射金属形成漏极和源极。

图表5 | 制作漏源电极

从上图可见，碳化硅与硅器件的制造方法相近，但由于碳化硅与硅材料性质不同，一些工艺存在较大差异：

（1）离子注入是最重要的工艺。硅器件制造中可以采用扩散、离子注入的方法进行掺杂，但碳化硅器件只能采用离子注入掺杂。因为碳硅结合力较强，碳化硅中得扩散常数极低，如用扩散方法进行惨杂，碳化硅扩散温度远高于硅，此时表面的二氧化硅（SiO2）层已失去了保护作用，而且碳化硅在1800℃以上的高温中不稳定，因此不宜采用扩散法掺杂，而要用离子注入掺杂。

同样由于碳化硅的稳定性较好，离子注入时需要高温、高能，并需要更精准的离子注入浓度控制、离子注入深度控制、离子注入表面保护、注入激活退火等技术。

由于高能离子注入之后带来的晶格损伤，会使得半导体的迁移率和寿命等参数受到较为严重的影响，同时，在注入时大部分的离子并不是在替位的位置，所以为了激活注入离子并恢复迁移率等相关参数，必须在适当的时间和温度下进行退火。

碳化硅的退火温度较高，通常高于1600度，会引起表面碳化硅分解，需要用碳掩膜或氮化铝掩膜保护表面。

（2）栅极氧化层的可靠性。碳化硅是唯一一种能通过热氧化生成二氧化硅的化合物半导体，这很有利于碳化硅器件的规模化生产、降低成本，但SiC/SiO2氧化层界面质量差也是阻碍碳化硅MOSFET进一步发展的一大障碍。

可以通过高温氧化、氧化后退火的方式来提升氧化层的界面质量。高温氧化涉及高温氧化速率研究、接触界面态密度控制技术、氧化层表面粗糙度控制技术。氧化后退火一般在含N或P的气氛中进行，含P气氛中退火可以改善界面态，降低界面态密度，但会影响阈值电压稳定性，所以用含N气氛多一些。

（3）源、漏极的欧姆接触。源、漏极存在金属与半导体接触界面，形成欧姆接触，是器件电极引出的一项重要工艺。评价欧姆接触的主要性能指标是接触电阻、表面平整度、长期稳定性，其中最重要的指标是接触电阻。对于n型和p型碳化硅，镍（Ni）和铝钛（Al/Ti）分别是标准的欧姆接触金属。

但是，为了获得较低的接触电阻（10-6Ωcm2），需要在950℃～1000℃下烧结、较高的掺杂浓度。目前对欧姆行为的物理/化学机制的了解还不够全面。

（4） 功率器件的微观结构中存在不连续的PN结，结表面存在电力线密集的现象，容易发生击穿，所以要采用结终端技术，以提高击穿电压。结终端技术主要包括场板技术、场限环技术、结终端扩展技术等。

以上仅举数例，不是全部，还有很多工艺问题还没有理想的解决办法，比如表面挖槽工艺、终端钝化工艺、栅氧层的界面态对碳化硅MOSFET器件的长期稳定性影响等。

02 | 封装

封装（Package）是把集成电路装配为最终产品的过程。简而言之，就是把集成电路裸片（Die）放在一块起到承载作用的基板上，把管脚引出来，然后固定包装成为一个整体。封装是做成产品的最后一步，一个没有封装的功率芯片，就如一份没有包装的薯片，不但容易受潮、容易压坏，而且过几天就腐败了。

尽管碳化硅材料较硅材料在材料性能上有很大的优势，但是芯片必需封装之后才能使用，目前传统的功率器件封装技术都是为硅功率器件设计的，将其用于碳化硅功率器件时，会在使用频率、散热、可靠性等方面带来新的挑战，封装技术正成为碳化硅功率器件的技术瓶颈。

目前，碳化硅功率器件仍借用硅功率器件的封装技术，主要有两种封装形式，第一种是分立器件，第二种是将多个功率芯片灌装成一个模块。

（1）分立器件

碳化硅分立器件的封装形式与常见的硅器件是相同的，如下图表所示。

图表6 | 碳化硅二极管

图表7 | MOSFET 分立器件

其封装过程与常见的硅器件也是相同的，如下图表所示，其中关键步骤为粘片、压焊、塑封。

图表8 | 碳化硅分立器件的封装过程

以碳化硅MOSFET为例，晶圆划片后，先将芯片放置、粘结到引线框架上，然后用金丝或铝丝将芯片上的电极与引线框架上的管脚连接起来，最后用注塑机将已装片的管子进行包封。塑料外壳可以保护芯片、增强电热性能，引线框架的管脚将源极、漏极、栅极都引出，方便之后的电路接线。

图表9 | 粘片

图表10 | 焊压

图表11 | 塑封

（2）模块

传统的硅功率模块封装采用多层结构，从上到下依次是顶盖、硅凝胶、芯片、DBC陶瓷衬底、基板，以及相邻层次之间的互连焊料。芯片正面的输入输出端与引脚之间采用引线键合实现互连，芯片背面到热沉的连接是热量传导的主要通道。

图表12 | 碳化硅功率模块分解图

当传统的硅功率模块封装结构用于碳化硅功率模块封装时，会带来以下问题：一是引线键合和复杂的内部互连结构带来较大的寄生电容和寄生电感。碳化硅功率芯片的开关速度可以更快，因而电压和电流随时间的变化率（dv/dt 和di/dt）就更大，这会对驱动电压的波形带来过冲和震荡，会引起开关损耗的增加，严重时甚至会引起功率器件的误开关，因此碳化硅功率器件对寄生电容和寄生电感更加敏感。

二是碳化硅功率器件在散热方面具有更高的要求。碳化硅器件可以工作在更高的温度下，在相同功率等级下，其功率模块较硅功率模块在体积上大幅降低，因此对散热的要求就更高。如果工作时的温度过高，不但会引起器件性能的下降，还会因为不同封装材料的热膨胀系数（CTE）失配以及界面处存在的热应力带来可靠性问题。

传统硅功率模块封装存在寄生参数过高、散热效率差的问题，这主要是由于传统封装采用了引线键合和单边散热技术，针对这两大问题，碳化硅功率模块封装在结构上采用了无引线互连（wireless interconnection）和双面散热（double-side cooling）技术，同时选用了导热系数更好的衬底材料，并尝试在模块结构中集成去耦电容、温度/电流传感器以及驱动电路等，研发出了多种不同的模块封装技术。

（2.1）直接导线键合结构（DLB，Direct-Lead Bonding）

直接导线键合结构如下图表所示，该结构最大的特点就是利用焊料，将铜导线与芯片表面直接连接在一起，相对引线键合技术，该技术使用的铜导线可有效降低寄生电感，同时由于铜导线与芯片表面互连面积大，还可以提高互连可靠性。三菱公司利用该结构开发的IGBT模块，相比引线键合模块内部电感降低至57%，内部引线电阻减小一半。

图表13 | 直接导线键合（DLB）结构

（2.2）SKiN结构

SKiN 结构如下图表所示，该模块结构也是一种无引线键合的结构，它采用了双层柔软的印刷线路板同时用于连接 MOSFET和用作电流通路，赛米控（SEMIKRON）公司采用该种结构开发的1200V/400A（8个50A碳化硅MOSFET 芯片并联）半桥功率模块的寄生电感小于1.4nH。

图表14 | 碳化硅功率模块分解图

（2.3）赛米控平面互连工艺（SiPLIT）

赛米控平面互连工艺如下图表所示，该结构在将功率芯片与覆铜陶瓷板连接后，在芯片的正面利用真空层压工艺制备一层高可靠性的绝缘薄膜，然后在薄膜表面沉积一层 50～200μm厚的铜作为互连。与铝线键合工艺相比，由于厚铜与衬底的接触面积增大，该结构可以降低20%热阻、50%寄生电感，并且可以提高功率循环性能。

图表15 | SiPLIT结构

（2.4）2.5D和3D模块封装结构

为进一步降低寄生效应，使用多层衬底的2.5D和3D模块封装结构被开发出来，用于功率芯片之间或者功率芯片与驱动电路之间的互连。在2.5D结构中，不同的功率芯片被焊接在同一块衬底上，而芯片间的互连通过增加的一层转接板中的金属连线实现，转接板与功率芯片靠得很近，需要使用耐高温的材料，低温共烧陶瓷（LTCC）转接板常被用于该结构，下图表为一种2.5D模块封装结构。

图表16 | 2.5D模块封装结构

而在3D模块封装结构中，两块功率芯片或者功率芯片和驱动电路通过金属通孔或凸块实现垂直互连，下图表是一种利用紧压工艺（Press-Pack）实现的3D模块封装，这种紧压工艺采用直接接触的方式而不是引线键合或者焊接方式实现金属和芯片间的互连，如下图所示，该结构包含3层导电导热的平板，平板间放置功率芯片，平板的尺寸由互连的芯片尺寸以及芯片表面需要互连的版图结构确定，整个结构的厚度一般小于5mm。图示封装结构有限元模拟的表面结果，其寄生电感仅0.86nH。

图表17| 采用紧压工艺的3D模块封装结构

下图是另一种3D模块封装结构，该结构通过低温共烧陶瓷工艺，实现了功率芯片和驱动电路的垂直互连，该结构还可以方便地将被动元件集成在低温共烧陶瓷衬底上。

图表18 | 3D模块封装结构

03 | 封装材料

功率器件、模块的封装材料涉及互连材料、衬底材料、热界面材料、灌封材料等，传统的硅功率模块工作温度一般低于175℃，而碳化硅功率模块会工作在更高的温度下和更大的电场下，因此对封装材料在热、电可靠性方面提出了更高的要求。

（1）键合引线材料

尽管无引线键合可以有效地降低功率模块的寄生电感，但引线键合作为一种工艺成熟、低成本的互连技术仍广泛应用于功率模块封装、TO系列分立器件封装中。

近年来，随着功率器件封装要求的提高，引线键合材料也得到了新的发展，如大功率器件上的铝带键合技术实现了对铝线键合技术的替代。铜材料由于其导电导热性能均优于铝材料，且与硅材料的热膨胀系数失配小于铝与硅材料，因此铜替代铝是封装互连发展的趋势，但是铜替代铝又存在着材料价格高、生产设备升级等成本因素，因此在现阶段用于引线键合的铝铜复合引线或铝铜复合带（Ribbon）材料得以发展，实现了封装互连材料的一种过渡。

下图是一种铝铜复合带键合的示意图，这种铝铜复合材料的下部与芯片表面接触的是铝，上面一层为铜。下部的铝可以很好地与芯片表面的铝焊盘焊接在一起，与现有的铝带键合工艺兼容，而上部的铜材料可以提高导电性，并减小热膨胀系数失配带来的可靠性问题。

图表19 | 铝铜带键合

同时由于上部的铜不直接与焊盘接触，可以适当降低对铜的纯度要求，加上由此带来的器件性能和可靠性的提升，使用铝铜复合带与铝带相比成本没有明显的增加。

（2）芯片焊接材料

目前的芯片焊接材料多用锡/铅基的软焊料，这种焊料存在以下缺点：一是焊料在工艺过程中容易与铜互连材料形成金属间化合物，形成化合物后脆性变大，容易发生断裂等可靠性问题；二是锡/铅基的软焊料的熔点较低，限制了碳化硅功率器件的应用范围；三是焊料中含铅，会造成环境的污染。

使用银、铜等的微米纳米金属颗粒制备的焊膏取代锡/铅基软焊料，利用微米纳米颗粒的尺寸效应，可以在较低的温度下进行烧结，烧结后成为熔点很高的金属块材，而且具备良好的导电导热性能，可以较好地解决上述问题。

其中的铜焊膏因其与主要互连材料材质相同，并且具有良好的热、电性能，与银焊膏相比，具有更低的价格和更好的抗电迁移性能，近年来逐步成为研究热点，尤其是采用纳米铜颗粒作为介质实现铜-铜直接互连，在电子封装互连领域具备极大的潜力。

04 | 技术展望

碳化硅器件未来的发展方向包括，进一步提高击穿电压、降低导通电阻，提高MOSFET的阈值电压稳定性，实现更低的栅氧层界面态密度、更高的沟道迁移率，减缓或避免栅极氧化层高温退化，发展沟槽型结构和超结结构，提升和完善背面减薄、激光退火等工艺。

随着碳化硅器件功率密度和工作温度进一步提高，需要更多的专属于碳化硅器件的封装方法、模块制造方法，需要开发高温封装材料和工艺技术。