碳化硅的起源

2024-06-24 02:06

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自ieee，谢谢。

早在特斯拉 Model 3搭载 SiC 逆变器下线的几十年前，包括木本恒信 (Tsunenobu Kimoto) 在内的一小批研究人员就预见到了碳化硅技术的前景。他们在默默无闻中研究了这项技术，并改进了制造功率晶体管的技术，使其性能优于当时主流使用的硅器件。

如今，MOSFET和其他碳化硅晶体管大大降低了电源转换系统中的通态损耗和开关损耗，例如电动汽车中用于将电池的直流电转换为驱动电机的交流电的逆变器。较低的开关损耗使汽车更高效，减小了电力电子设备的尺寸和重量，并提高了动力传动系统的性能。将交流电转换为直流电的碳化硅充电器也提供了类似的效率改进。

但这些工具并非凭空而来。“我们必须首先开发一些基本技术，比如如何掺杂材料以制造 n 型和 p 型半导体晶体，”Kimoto 说道。n型晶体的原子结构排列使得带负电荷的电子可以自由穿过材料晶格。相反， p型晶体的原子排列包含带正电荷的空穴。

木本对碳化硅的兴趣始于 1990 年他在京都大学攻读博士学位期间。

“当时，很少有人研究碳化硅器件，”他说，“而对于那些研究碳化硅器件的人来说，碳化硅的主要目标是蓝色 LED。

“几乎没有人对碳化硅功率器件（如MOSFET和肖特基势垒二极管）感兴趣。”

Kimoto 最初研究的是 SiC 如何作为蓝光 LED 的基础。但后来他读到了B. Jayant Baliga于 1989 年在IEEE Electron Device Letters上发表的论文“高频应用的功率半导体器件品质因数” ，并参加了2014 年 IEEE 荣誉勋章获得者Baliga关于该主题的演讲。

“我确信碳化硅在电力设备方面前景广阔，”Kimoto 说道，“问题是我们没有晶圆和基板材料，”没有这些材料，就不可能实现这种设备的商业化生产。

为了获得碳化硅功率器件，“像我这样的研究人员必须开发基础技术，比如如何掺杂材料以制造p型和n型晶体，”他说。“还有在碳化硅上形成高质量氧化物的问题。”二氧化硅用于 MOSFET 中以隔离栅极并防止电子流入。

木本面临的第一个挑战是生产纯碳化硅晶体。他决定从碳化硅开始，碳化硅是一种常用作磨料的碳化硅。木本利用一些工厂废料（尺寸约为 5 毫米 x 8 毫米的碳化硅小晶体）对它们进行抛光。

他发现自己拥有高掺杂的n型晶体。但他意识到，只有高掺杂的n型 SiC 在电力应用中用处不大，除非他也能生产出轻掺杂（高纯度）的n型和p型 SiC。

连接两种材料类型会在n型和p型侧交界处形成一个耗尽区。在这个区域中，自由移动电荷会因扩散和与相反电荷的复合而丢失，并会形成一个电场，可用于控制跨边界的电荷流动。

通过使用成熟的化学气相沉积技术，Kimoto 能够生长出高纯度的碳化硅。该技术通过将气体引入反应室，在基材上生长一层 SiC。

当时，碳化硅、氮化镓和硒化锌都是生产实用蓝色 LED 的竞争者。Kimoto 说，碳化硅只有一个优势：制造碳化硅p - n结相对容易。而使用其他两种材料制造p - n结仍然很困难。

然而，到了 20 世纪 90 年代初，人们开始意识到 SiC 无法赢得蓝光 LED 的青睐。物理定律的必然现实战胜了 SiC 研究人员的信念，即他们可以以某种方式克服这种材料的固有特性。SiC 具有所谓的间接带隙结构，因此当注入电荷载流子时，电荷重新结合并发射光子的概率很低，导致其作为光源的效率很低。

在蓝光 LED 的探索成为头条新闻的同时，SiC 在电力设备方面的应用也取得了许多低调的进展。到 1993 年，由 Kimoto 和Hiroyuki Matsunami领导的团队展示了首款 1,100 伏碳化硅肖特基二极管，他们在IEEE Electron Device Letters的一篇论文中对其进行了描述。该团队和其他团队生产的二极管实现了硅二极管无法实现的快速切换。

Kimoto 表示：“使用硅p - n二极管，我们需要大约半微秒的时间进行切换。但使用碳化硅，则仅需 10 纳秒。”

快速开关设备的能力使电源和逆变器更加高效，因为它们以热量形式浪费的能量更少。更高的效率和更少的热量也使设计更小更轻成为可能。这对电动汽车来说意义重大，因为重量越轻意味着能耗越低。

Kimoto 的第二项突破是确定哪种形式的碳化硅材料最适合用于电子应用。

“碳化硅是一个有很多兄弟的家族，”Kimoto 说道，并指出存在 100 多种具有不同硅碳原子结构的变体。

6H 型碳化硅是研究人员针对蓝光 LED 使用的默认标准相，但 Kimoto 发现 4H 型碳化硅具有更好的功率器件特性，包括高电子迁移率。现在所有碳化硅功率器件和晶圆产品都是用 4H 型制造的。

木本表示，电动汽车中的碳化硅功率器件与硅相比，能效可提高约 10%。他表示，在电动火车中，与使用硅基功率器件相比，推动汽车所需的功率可减少 30%。

他承认，挑战依然存在。他说，尽管碳化硅功率晶体管已用于特斯拉、其他电动汽车和电动火车，但由于二氧化硅-碳化硅界面存在缺陷，其性能仍远未达到理想状态。界面缺陷降低了基于 MOS 的晶体管的性能和可靠性，因此 Kimoto 和其他人正在努力减少缺陷。

参考链接

https://spectrum.ieee.org/tsunenobu-kimoto-silicon-carbide

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