傳統上在高壓功率晶體的設計中,采用硅材料的功率晶體要達到低通態電阻,必須采用超級結技術(superjunction),利用電荷補償的方式使磊晶層(Epitaxial layer)內的垂直電場分布均勻,有效減少磊晶層厚度及其造成的通態電阻。但是采用超級結技術的高壓功率晶體,其最大耐壓都在1000V以下。如果要能夠耐更高的電壓,就必須采用碳化硅材料來制造功率晶體。以碳化硅為材料的功率晶體,在碳化硅的高臨界電場強度之下,即使相同耐壓條件之下,其磊晶層的厚度約為硅材料的1/10,進而其所造成的通態電阻能夠有效被降低,達到高耐壓低通態電阻的基本要求。 

 

在硅材料的高壓超級結功率晶體中,磊晶層的通態電阻占總通態電阻的90%以上。所以只要減少磊晶層造成的通態電阻,就能有效降低總通態電阻值;而碳化硅功率晶體根據不同耐壓等級,通道電阻(Channel resistance, Rch)占總通態電阻的比值也有所不同。例如在650V的碳化硅功率晶體中,通道電阻( Channel resistance,Rch)占總通態電阻達50%以上,因此要有效降低總通態電阻最直接的方式就是改善通道電阻值。 由通道電阻的公式,如式(1)可以觀察到,有效降低通道電阻的方法有幾個方向:減少通道長度L、減少門極氧化層厚度dox、提高通道寬度W、提高通道的電子遷移率μch、降低通道導通閾值電壓VT,或者提高驅動電壓VGS。然而幾種方法又分別有自身的限制。 

 

(1)


1.減少通道長度L,就必須考慮DIBL效應


2.減少門極氧化層厚度dox,會造成門極氧化層的可靠度問題


3.提高通道寬度W,必須增加功率晶體的面積,使成本增加


4.提高驅動電壓VGS,會造成門極氧化層的可靠度問題


5.降低通道導通閾值電壓VT,會造成應用上可能的誤導通現象


6.提高通道的電子遷移率μch來改善功率晶體的通道通態電阻,但是必須從晶體平面(crystal plane)選用及制程上著手


實際上利用提高通道的電子遷移率μch來改善功率晶體的通道通態電阻,不僅是從制程上做調整,更是從晶體平面的選擇上做出選擇。在目前已量產的增強型碳化硅功率晶體的晶粒(die)結構來看,大致上可以分為二種,平面式(planar)以及溝槽式(trench),如圖1所示。

 

(a)    

 


(b)
圖1  碳化硅功率晶體的結構:(a)平面式(b)溝槽式


這兩種不同形式的結構差異不僅僅在于是否以內嵌的形式制造而成,更主要的差異在于功率晶體的通道是由不同的碳化硅晶體平面制成。硅材料是由純硅所組成,但是碳化硅材料會依照不同的原子排列而有著不同的晶體平面。傳統上平面式結構會采用<0001>的硅平面(Si-face)制作通道,而溝槽式結構功率晶體采用<1120>的晶體平面做為功率晶體的通道,根據實測結果,采用<1120>晶體平面時能夠有效利用其較高的電子遷移率,達到低的通態電阻。

 

(a)  

 

 
(b)    

 


(c)
圖2 (a)碳化硅功率晶體的晶體平面(b)溝槽式功率晶體采用的晶體平面
(c)<1120>晶體平面的高電子遷移率


值得一提的是,在平面式碳化硅功率晶體制造通道采用的<0001>硅平面中,受到晶體缺陷程度較高,造成電子遷移率較低及產生較高的通道電阻。要克服這個問題,在設計上會使用較薄的門極氧化絕緣層,使其具有較低的門極閾值電壓(~2V),進而降低通道電阻,這也是平面式結構功率晶體的特征之一。在實際應用時,會建議用戶在設計驅動電路時,截止時驅動電壓采用負電壓,以避免驅動時的錯誤操作造成功率晶體燒毀。反之,在溝槽式結構的碳化硅功率晶體因其具有較高的門極閾值電壓(>4V),無論哪一種電路結構,都不需要使用負電壓驅動。


如上所述,碳化硅材料具有高臨界電場強度,采用碳化硅做為高壓功率晶體材料的主要考量之一,是在截止時能夠以硅材料1/10的磊晶層厚度達到相同的耐壓。但在實際上功率晶體內的門極氧化絕緣層電壓強度,限制了碳化硅材料能夠被使用的最大臨界電場強度,這是因為門極氧化絕緣層的最大值僅有10MV/cm。按高斯定律推算,功率晶體內與門極氧化絕緣層相鄰的碳化硅所能使用的場強度僅有4MV/cm,如圖3所示。碳化硅材料的場強度越高,對門極氧化絕緣層造成的場強度就越高,對功率晶體可靠度的挑戰就越大。因此在碳化硅材料臨界電場強度的限制,使功率晶體的設計者必須采用不同于傳統的溝槽式功率晶體結構,在能夠達到更低碳化硅材料場強度下,盡可能減少門極氧化絕緣層的厚度,以降低通道電阻值。在可能有效降低碳化硅材料臨界電場強度的溝槽式碳化硅功率晶體結構,如英飛凌的非對稱溝槽式(Asymmetric Trench)結構或是羅姆的雙溝槽式(Double trench)結構,都是能夠在達到低通態電阻的條件之下,維持門極氧化絕緣層的厚度,因門極氧化絕緣層決定了它的可靠度。

 

圖3門極氧化層場強度限制了功率晶體內碳化硅材料的場強度

 

(a)    

 


(b)
圖4 碳化硅功率晶體結構
(a)英飛凌的非對稱溝槽式結構     (b)羅姆的雙溝槽式結構


門極氧化絕緣層的電場強度挑戰不僅來自碳化硅材料的影響,也來自門極氧化絕緣層它本身。硅材料在被制造半導體的過程中經過蝕刻及氧化作用,可以產生厚度相對均勻、雜質少的門極氧化層。但在碳化硅材料經過蝕刻及氧化作用后,除了產生門極氧化絕緣層外,尚有不少的雜質及碳,這些雜質及碳會影響門極氧化層的有效厚度及碳化硅功率晶體的可靠度,如圖5所示。

 

圖5 碳化硅門極氧化絕緣層受雜質影響造成有效厚度改變


考慮到門極氧化層厚度對碳化硅功率晶體可靠度的影響,在門極氧化層的設計上必需考慮這些可能影響門極氧化層有效厚度的因素。除了采用更厚的門極氧化層設計以提高碳化硅的可靠性之外,還要針對門極氧化層進行遠超出額定門極電壓的長時間電壓測試。如圖6所示,VGUSE是門極電壓建議值,VGMAX 是額定門極電壓最大值,隨著時間推移增加門極電壓值,直到所有的功率晶體門極都燒毀失效。 采用這樣的門極測試,可以檢測出門極氧化層會在不同的電壓下產生失效。一般來說,在較低電壓下失效是由于上述雜質造成有效門極厚度減少的外在缺陷(extrinsic defect);而在較高電壓下的失效被稱為本質缺陷(Intrinsic defect)),是來自F-N隧穿效應(Fowler-Nordheim tunneling)的作用,或是門極氧化層超過其最大電場10MV/cm。 
        

 

 

圖6 碳化硅門極氧化層可靠度測試及其本質缺陷及非本質缺陷示意圖


碳化硅功率晶體的另一項設計挑戰就是門極閾值電壓的不穩定性(threshold voltage instability)。門極閾值電壓的不穩定性,會影響碳化硅功率晶體的可靠度。如果碳化硅功率晶體的閾值電壓往上,會造成功率晶體的通態電阻值及導通損耗增加;反之,如果碳化硅功率晶體的閾值電壓往下,會造成功率晶體易產生誤導通而燒毀。門極閾值電壓的不穩定性有兩種現象,可回復型閾值電壓滯后作用(Reversible threshold voltage hysteresis) 及不可回復型的閾值電壓漂移(threshold voltage drift);門極閾值電壓的不穩定性來自于門極氧化層及碳化硅的介面間存在缺陷(trap),如同對介面間的電容進行充放電,而門極電壓驅動過程造成電子或電洞被捕獲,從而形成閾值電壓的滯后作用。
    

 

圖7 碳化硅功率晶體門極閾值電壓的滯后作用及偏移


如式(2),閾值電壓滯后作用是由門極氧化層接面的缺陷密度(Density of defect)及材料的帶隙(bandgap)所決定。相比于硅材料,碳化硅的材料缺陷密度比硅材料缺陷密度高1000~10000倍;而碳化硅的帶隙約為硅的3倍,因而造成碳化硅功率晶體的閾值電壓滯后作用在未經處理之前,高達數伏特(V)之多,而硅材料只有數毫伏特(mV)。這也是電源供應器設計者在使用碳化硅功率晶體時所必須注意的考量重點之一。
     

(2)

 


                          

碳化硅功率晶體在門極氧化層及碳化硅之間的電荷分布可簡單化區分為固定式電荷()和缺陷密度電荷(),碳化硅功率晶體在門極氧化層的電荷分布與門極閾值電壓的關系,可以用式(3)來描述。其中,當驅動電壓為直流正電壓時,會發射電洞或捕獲電子,造成缺陷密度電荷增加,使門極閾值電壓提高;反之,當驅動電壓為直流負電壓時,會發射電子或捕獲電洞,造成缺陷密度電荷減少,使門極閾值電壓降低。除閾值電壓滯后作用外,不可回復型的閾值電壓漂移也是碳化硅中的另一項特性,也是來自門極接面的缺陷及陷阱(trap)造成電荷交換產生的現象。一般而言,在碳化硅功率晶體內,可能會高達數百mV。


實際上除了少數應用的功率晶體在電路工作時,只有一次的開或關動作,能以直流電壓驅動外,大部份交換式電源供應器內用于主開關的功率晶體都會采用高頻交流電壓驅動。從實際測試的結果來看,當在不同的門極閾值電壓之下,會有不同的門極截止電壓設計要求:提供較低門極閾值電壓的碳化硅功率晶體的供應商,會建議截止時采用負電壓驅動,以避免橋式相連的功率晶體在上下交互導通及截止時,減少受到寄生電容效應及門極回路電感在門極端產生感應電壓而產生上下管間的誤導通及燒毀;反之對于具有較高門極閾值電壓的碳化硅功率晶體而言,并不需要采用負電壓驅動,使用負電壓驅動不僅會增加電路的復雜度,也會加大門極閾值電壓往上的漂移量,如圖8所示,使用較高的正電壓或負電壓時,隨著功率晶體使用時間的增加,門極閾值電壓往上漂移的增量會更明顯,進而造成功率晶體的通態電阻值隨著使用時間的累積而慢慢增加。各品牌碳化硅功率晶體的門極閾值電壓的漂移量都有不同的數值,用戶在選用碳化硅功率晶體時必須先避免過高的正負電壓對門極閾值電壓帶來的負面影響。

 

 (a)

 

 (b)

圖8 (a)正極性驅動電壓準位      (b)負極性驅動電壓準位與門極閾值電壓漂移大小關系


為了避免碳化硅功率晶體的門極閾值電壓在長時間的使用之下,產生過高的門極閾值電壓漂移,原則上,必須遵照資料手冊的建議值來使用及確認功率晶體的門極電壓值。如圖9所示,為了不造成碳化硅功率晶體的門極電壓大幅度漂移,針對其驅動電壓的建議值及最大可以接受的電壓峰值,其中,值得注意的是,門極電壓的測量結果應該盡量排除封裝引腳的影響。

 

圖9 碳化硅功率晶體的驅動電壓限制值


綜上所述,目前碳化硅功率晶體的發展主要在于幾個方向:1.降低單位晶粒面積下的通態電阻;2.提高功率晶體門極可靠度3.在不影響驅動位準的大前提下降低驅動電壓位準。這些設計上的挑戰,都由碳化硅功率晶體的設計者來構思及突破,而主流的碳化硅功率晶體在結構上分為兩大類,平面式及溝槽式的碳化硅功率晶體,平面式的碳化硅功率晶體受限于晶體缺陷及電子遷移速度,大多采用較低的臨界門極電壓,并建議在橋式電路中采用負電壓截止驅動電路 ,用以減少在橋式電路中功率晶體交互驅動時可能產生的可能的誤導通;反之溝槽式的碳化硅功率晶體,采用具有較高電子遷移速度的晶體平面做為通道,可以設計較高的臨界門極電壓,并且不需要任何的負電壓截止驅動電路。對于碳化硅功率晶體的用戶而言,驅動電路設計相對簡單,只需要提高驅動電壓到合適的電壓值,就能夠享受碳化硅功率晶體帶來的優點。