碳化硅（SiC）MOSFET技术发展史回顾[转]

碳化硅（SiC）MOSFET技术发展史回顾

碳化硅（SiC）是一种广泛使用的老牌工业材料，1893年已经开始大规模生产了，至今一直在使用。不过自然界中很难找到碳化硅，在陨石中的矿物莫桑石会含有碳化硅。由于碳化硅的硬度很高，碳化硅的主要用途是用作磨料，也被用于汽车制动盘，作为汽车润滑剂的添加剂和珠宝钻石的替代品等。不过最近几十年来，它已被用作电子材料，最初用于发光二极管（LED），最近又被用于电力电子设备，包括肖特基势垒二极管（SBD），结型场效应晶体管（JFET）和MOSFET晶体管。由于SiC MOSFET具有取代现有的硅超级结（SJ）晶体管和集成栅双极晶体管（IGBT）技术的潜力，因此受到了特别的关注。

　　多年之前碳化硅的半导体器件潜力已为人所知。在1962年Lloyde Wallace获得了专利（US3254280A），这是一种碳化硅单极晶体管器件。它本质上是一个结型场效应晶体管。图1显示了Lloyde 1962年专利的图。在P型SiC主体中形成N型沟道区域。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，并且相应的栅电极位于SiC衬底的底侧。目前，UnitedSiC正在生产基于碳化硅的JFET ，尽管它们是为了提高性能而基于垂直设计，其中源极和栅极位于SiC裸片的顶部，而漏极位于背面。

图1从US3254280A（碳化硅单极晶体管）

　　1989年，北卡罗来纳州立大学（NCSU）的B. Jayant Baliga首次描述了将SiC用于电力电子设备的好处1。Baliga在通用电气期间发明了IGB。他现在是NCSU的杰出大学教授。他得出了一个称为BHFFOM的品质因数，该品质因数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甚至钻石）来减少功率损耗。在这段时间出现了一系列与碳化硅的电力半导体应用相关的专利。

　　当时的主要发明者之一是约翰·帕尔默（John Palmour），他于1987年在北卡罗莱纳州的三角研究园共同创立了Cree。现在他是电源和射频技术的首席技术官。Cree一直是SiC功率器件技术的主要驱动力之一。当他还在NCSU时，还是一名研究生，他在1987年申请了一项重要专利，该专利导致了SiC基MOSFET晶体管的发明。

　　该开创性专利（US4875083A）涉及在SiC衬底上形成MOS电容器结构。

　　现摘录1987年此项专利发表的简介，描述了当时SiC的发展状况：

　　碳化硅一直是半导体器件的候选材料。长期以来，碳化硅一直被认为具有独特的特性，这使得它具有比其他常用半导体材料如硅(Si)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)形成的半导体器件更优越的特性。碳化硅具有宽的带隙、高的熔点、低的介电常数、高的击穿场强、高的导热系数和高的饱和电子漂移速度。这些特性使碳化硅制成的器件有可能在更高的温度、更近的距离、更高的功率级别以及其他一些由其他半导体材料制成的器件根本无法工作的情况下工作。

　　尽管具有这些已知的特性，但由碳化硅制成的高质量商用设备尚未问世。碳化硅是一种非常难处理的材料，它可以在150多种不同的多型中结晶。因此，在半导体材料上制造电子器件所需的单个多型或特定多型碳化硅薄膜的大型单晶仍然是一个难以实现的目标。

　　但是，最近，该领域已经取得了许多进展，这首次使在碳化硅上生产商业品质的电子设备成为可能。

　　然而，最近在这一领域取得了一些进展，使商用优质碳化硅电子器件的生产首次成为可能。”

　　本专利图1和图2展示了所述MOS电容器的结构，如下图2所示。该电容器是由一个圆形欧姆接触到掺杂的碳化硅衬底与中心圆形金属接触在一层氧化物。由于底层SiC中的载流子损耗，电容随外加电压的变化而变化。MOS电容结构是形成MOSFET晶体管的关键。