Page 24 - 第三代半導體明日之星---碳化矽功率元件近況與展望

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當然也可以搭配SBD類型的功率元 件。但是SJ結構的製作對SiC來說相 當困難，因為絕大多數摻雜元素在 SiC中都不會擴散，要形成P型柱的方 法之一是先蝕刻去除該區域的N型漂 移區，再磊晶P型柱，但是SiC磊晶難 度遠高於Si，就筆者所知，尚無成功 從溝槽中磊晶的文獻發表。另一種製 作P型柱的方法是多次磊晶搭配多次 離子植入。雖然日本產業技術綜合研 究所(AIST)在2021年的ISPSD研討會 率先發表了3.3kV的SJ MOSFET，但 是動用了16或是28次磊晶與離子植
入，恐非量產可以接受的製程，需要 簡化製作方式才有商業化的機會。
控制MOSFET開關需要閘極驅 動電路，目前SiC MOSFET的驅動電 路均以Si IC製作，雖然SiC功率元件可 以承受比Si功率元件更嚴苛的環境， 但是Si IC不然，因此必須獨立封裝、 隔離，增加了功率系統的體積;訊號 傳遞時受封裝導線的電感與電容影 響，增加功率損耗、影響效能，最理 想的情況還是以SiC IC驅動，才能夠
完整發揮SiC的材料優勢。因此，能與 垂直MOSFET整合的SiC IC技術，也是 近年愈來愈受到重視的研究主題。
SiC IC發展演進
• SiC IC的研究始於1990年代初 期，當時採用的是6H-SiC，陸續 實現了數位和類比電路區塊。
• 1994年美國普渡大學發表第 一個NMOSFET電路，展示了 Inverter、NAND、NOR、XNOR、 D-latches、RS flip-flops、Binary counter、Half adder等基本電 路單元。
• 1999年普渡大學和康乃爾大 學共同發表第一個以6H-SiC製 作的智慧閘極驅動電路，包含 過壓、低壓、短路、開路的偵測 功能，並可在300°C的環境下工 作。隨後因為載子遷移率較高 的4H-SiC晶體成長技術成熟，相 關研究轉向使用4H-SiC。
圖10:Si、SiC、GaN三種半導體材料的導通阻抗和崩潰電 壓的理論極限。
圖11:SJ MOSFET的剖面結構示意圖。
• 在2011-2013年間，英國雷神公司 (Raytheon Systems Ltd.;RSL)陸 續發表4H-SiC CMOS IC製程以 及基本邏輯單元，此高溫SiC製 程簡稱為HiTSiC製程。
• 2006年Cree公司發表第一個 4H-SiC CMOS Inverter。
圖12:清華大學黃智方教授團隊(半導體射月計畫成果)在IEEE EDL發表800V橫向MOSFET和CMOS整合。
• 在2017年，英國新堡大學 (Newcastle University)展示混 合訊號IC應用，如555計時器以 及4:1多工器;最近，阿肯色大學 發表更複雜的數位控制PWM產 生器電路。同年Hitachi發表SiC CMOS運算放大器，採用最基本
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• HiTSiC製程推出後，2016年 美國阿肯色大學(UA)發表SiC MAC、NCL Counter、Boolean FSM、DAC Controller等電路。