高温SiC器件的特性及发展

湖南大学超大功率半导体研究中心高温SiC器件的特性及发展王俊湖南大学超大功率半导体研究中心湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战1高温SiC器件的特性及发展2思考和展望33小结44目录湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战I.航空航天和太空探索飞行器：多电/全电系统逐步应用，部分控制器需长期可靠工作在高达225℃的条件下金星计划：探测设备需耐受金星表面高达460℃的温度探月工程：月球白天表面温度达127℃，夜晚温度低至-153℃，极大的温差不仅需要器件可以耐高温，还需要防止器件由于温度循环造成过早老化失效……推进器中靠近执行部件的控制单元金星表面T460℃月球表面T约127℃且昼夜温差极大T225℃湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战能源是人类社会赖以生存和发展的基石，面对全球能源逐步枯竭的现状，研究如何在更复杂的环境和条件下开采深度地层空间能源和发展可持续能源是一项重大课题。II.能源发展深度地层空间石油、天然气勘测和开采（超过7000米的地层，温度超过175℃）核能，在核反应堆冷却剂出口附近的温度可高达700~800℃地热能，研究表明200~400℃的地热可以直接用来发电，有望改善能源结构……T175℃T可达700℃以上T200℃湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战III.混合动力汽车新型的混合动力汽车在节能减排方面有巨大的优势，但其电动系统部分的温度很多都在150℃以上，目前的半导体器件难以长期稳定工作在这种高温环境中，因此，电动汽车产业的发展亟需耐高温的半导体器件的支持。湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战增加了系统的体积/重量/成本/复杂性降低了整个系统的可靠性现有解决方案及其不足：高温隔离附加冷却系统应用需求：工作在更极端的高温环境系统具有长期的高可靠性系统趋于小型化、轻量化飞机发动机控制系统地下钻探作业未来解决方案：提高半导体器件的高温承受能力和极端环境下的可靠性湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战30035040045050055060065070010-1010-510010510101015温度/K本征载流子浓度/cm-34H-SiCSi高频高功率密度抗辐照强耐高温湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战SiCJFET(Infeneon)SiCMOSFET(Microsemi)SiCBJT(GeneSiC)600-1700V商用高温器件最高耐受温度（℃）对比100150200250SOIICSiIGBTSiMOSFETSiCJFETSiCMOSFETSiCBJT湖南大学超大功率半导体研究中心发展现状分立器件IC芯片封装功率集成应用SiC高温器件及应用湖南大学超大功率半导体研究中心分立器件不同高温分立器件的比较：SiCMOSFET:研究表明，目前技术条件下栅氧在225℃以上高温环境中不具有长期可靠性[1]；SiCJFET:没有MOS结构和肖特基接触，可以在高温下工作，但目前的SiCJFET多为常通型器件，采用负压关断，和主流的驱动控制不兼容，而且负压关断会降低整个系统的可靠性。目前是以美国宇航局格伦研究中心为代表的研究机构的研究对象；SiCBJT:没有MOS结构和肖特基接触，可以在高温下工作，但工作时有较大的驱动损耗，但可靠性较高。目前是以欧洲瑞典皇家理工学院（KTH）为主的研究机构的研究对象；[1]G.T.D.L.Yu,K.S.Matocha,K.P.Cheung,J.S.Suehle,andK.Sheng,ReliabilityIssuesofSiCMOSFETs:ATechnologyforHigh-TemperatureEnvironments,IEEETransactionsonDeviceandMaterialsReliability,vol.10,pp.418-426,Dec.2010湖南大学超大功率半导体研究中心（NASAGlennReserchCenter）目前，高温SiCJFET的研发主要针对航天领域，如欧美的金星计划（金星表面温度为462℃），研究结构包括美国航空航天局格伦研究中心、罗格斯大学和凯撒西储大学等，报道的SiCJFET在460℃条件下可工作521小时，或在727℃时工作25小时。分立器件——JFET湖南大学超大功率半导体研究中心在高温SiCBJT的研发方面，瑞典皇家理工学院（KTH）的研究水平较高，已经报道了耐500℃的SiCBJT器件。产品化方面：美国CeneSiC公司公布了耐高温210℃的商用SiCBJT产品（KTH）分立器件——BJT湖南大学超大功率半导体研究中心2011201220132014201520162017101001000数字与非门差分模拟放大器运算放大器/AD转换器/多路复用器微控制器SiC集成电路的发展SiC动态压力传感器用的放大器（Supersonics/ERA)电力电缆上传感器信号传输用的数字电子芯片推进器监测用无线电容式压力传感器(VSST）金星地震检波器(PIDDP)碳化硅电子的支撑技术:-金属-SiC接触-高温封装-SiC晶体管设计（JFET)多层互连结构:-保角金属层-高温绝缘层-增强电路密度-增加可靠性和产量-减少晶体缺陷~Apollo制导计算机水平的集成(mid1960's)第一台微处理器水平的集成(Intel4004,relesed1971)500℃demo500℃demo500℃demo500℃demoTransistorsperIC发展现状——IC（NASA2014）湖南大学超大功率半导体研究中心IC芯片——JFET采用SiCJFET制作高温IC的代表性研究进展：3-stage振荡器在500℃下可工作3000小时；4位的D/A转换器在500℃下可工作10小时；4位的地址解码器IC在500℃下可工作120小时；SRAMCell(3-3)在500℃下可工作9小时；NOR逻辑器件在700℃下可工作75小时；在IC集成度方面：基于SiCJFET的IC电路的集成度较低，目前单个IC最多可以集成200~300个JFET和少于50个I/O接口。3-Stage振荡器，集成12个JFET和6个I/O湖南大学超大功率半导体研究中心IC芯片——MOSFET/MESFETfi早期，普渡大学、巴塞罗那自治大学、通用电气等采用MOSFET或MESFET来制作高温的IC并取得了一定的成果：2007年普渡大学报道了可工作在500℃高温下SiCMESFETICs，但是其肖特基接触限制了其在高温环境下的工作寿命；2011年普渡大学报道了耐350℃的SiCCMOS数字集成电路，但温度继续提高时，门极的漏电流迅速增大；2013年Bellaterra-Barcelona报道4H-SiCICs高密度集成的MESFET可工作在250℃下的集成电路。SiCCMOSSiCMESFETIC湖南大学超大功率半导体研究中心BJT器件在高温方面具有明显的优势，是高温应用中的少有的可行选择，关于SiCBJT的研究近年来包括KTH、普渡大学等科研单位取得了很大的进展：2013年报道的SiCECL的BJTOR/NOR逻辑电路在500℃下可正常工作；2015年报道的SiCBJT集成线性稳压器可工作在25℃~500℃，可输出15V电压2016年KTH报道的8位D/A转换器可工作在500℃，其测量稳定时间仅为5.5us。IC芯片——BJT瑞典皇家理工学院（KTH）报道的4H-SiC驱动集成电路湖南大学超大功率半导体研究中心高压功率集成电路(HVIC)智能功率集成电路(SPIC)用户专用智能功率模块(ASPM)PIC电路功率集成方面智能功率模块(IPM)功率器件驱动电路保护电路接口电路外围电路湖南大学超大功率半导体研究中心基于第三代导体材料SiC和GaN的功率集成技术是目前国际上耐高温、小型化和高效电能变换研究领域的主流趋势。2016年AgileSwitch公司报道了适用于罗姆公司SiCMOSFET模块的智能驱动产品并展示了SiCIPM产品，可在225ºC高温下工作多久？功率集成方面功率集成技术的优势十分明显，但由于技术难度大，在单片集成方面尚未发现基于SiC材料的高温单片集成电路的报道，但在封装集成方面，AgileSwitch、TI等公司已经报道了基于SiC功率器件的IPM产品。湖南大学超大功率半导体研究中心封装2012年NASA报道的一种SiCJFET封装可在500℃下可工作521小时；2016年NASA报道的SiCJFET新型封装可在700℃下工作143.5小时。NASA报道的耐500℃的封装NASA报道的耐727℃的封装湖南大学超大功率半导体研究中心封装通过多年研究，国内在高温封装领域取得了很大进展，其中中科院微电子研究所报道了用于SiC（碳化硅）大功率逆变器模块的小型化双面冷却封装，通过使用Bi和Ag基高温焊料，并将封装的散热性能提高2倍，使得整个模块可以承受220℃以上的高温。中科院微电子研究所封装的高温SiC模块湖南大学超大功率半导体研究中心21/26应用SiICs方面：CISSOID公司研发了耐175℃高温集成电路产品，开关频率达100kHzLinear公司研发了40V/2ADC/DC变换器，耐150℃，效率达到95%湖南大学超大功率半导体研究中心SiC方面：2006年美国宇航局报道了100WSiCJFETDC/DC变换器，温度可达415℃2008年S.K.Mazumder等人报道了SiCJFETDC/DC变换器，可工作在200℃下，开关频率250K功率5kW(2个模块)，效率达到95％2012年HiroyukiKosai等人提出SICJFET升压转换器100V/270V，开关频率74kHz,功率2kW,在200摄氏度下效率达90％22/26应用SiCJFETDC/DCSiCJFETDC/DC200℃200℃SiCJFET升压变换器湖南大学超大功率半导体研究中心思考高温下MOSFET栅氧的可靠性问题功率集成技术IC芯片分立器件金属半导体高温接触工艺问题集成电路的设计高温金属互连绝缘介质高温浆料高温管壳高温DBC…信号器件和功率器件的隔离单片集成器件内器件间的耦合影响机理…封装湖南大学超大功率半导体研究中心计划开展的工作高温SiCBJT功率器件的设计与研制（1）高温SiCBJT的元胞优化（2）适用于高温条件的金属-半导体欧姆接触（3）流片研制（进行中）宽温度范围的SiCBJT建模建立了适用于25℃~210℃的SiCBJTSPICE模型高温条件下SiC功率器件的可靠性分析分析不同SiC功率器件的短路能力、性能退化等可靠性问题高温SiC器件的应用研究研究基于SiC器件的变换器在高温环境下的性能基于SiCBJT的功率集成技术研究（1）研究功率集成的工艺（2）分析功率集成系统中功率器件和信号器件的耦合影响机理湖南大学超大功率半导体研究中心小结航空航天、石油天然气勘探、交通运输等行业未来发展迫切需要高温SiC器件高温SiC器件的发展需要从多个方面开展高温封装是耐高温SiC器件发展的瓶颈