Kiselkarbid framtidens material för krafthalvledare

Transkript

1 Kiselkarbid framtidens material för krafthalvledare I dag tillverkas alla krafthalvledare av kisel (Si), samma material som utnyttjas för mikroprocessorer och datorminnen. Under de kommande tio åren kan kiselkarbid (SiC) förväntas komplettera eller till och med konkurrera ut kisel som förstahandsmaterial för kraftkomponenter, framför allt för spänningar på 500 V och uppåt. På grund av inneboende egenskaper i materialet kan förlusterna i en SiC-komponent för en given spänning vara flera storleksordningar lägre än hos dagens Si-komponenter för samma spänning. Detta tillåter kretskonstruktören att använda komponenter som är mer attraktiva än dagens, vilket i sin tur ger ökad systemprestanda, lägre kostnad och större värde för kunden/användaren. K rafthalvledare, som dioder, tyristorer, transistorer och IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) är nyckelkomponenter i ABBs kraftelektroniska produkter. Bland dessa kan nämnas industriella drivsystem och matningsaggregat, spårvagnar, lok och andra spårbundna fordon. I det allra översta effektområdet finns statiska kompensatorer för reaktiv effekt (SVC) och annan utrustning för ström- och spänningsreglering, liksom system för högspänd likströmsöverföring (HVDC). Det kan konstateras att ABBs kraftelektroniska produkter täcker åtta storleksordningar sett till märkeffekt, från några hundra watt till flera gigawatt. ABB är samtidigt leverantör av krafthalvledare, med tonvikten lagd på högeffektkomponenter med genombrottsspänningar över 1,5 kv. Viktiga produkter inom detta område är GTO (släckbara tyristorer) och högeffekttyristorer. Den ideala switchen hittills bara en önskedröm Konstruktören av kraftelektroniska produkter önskar en komponent som har förmågan att blockera höga spänningar då den inte leder, som kan leda stora strömmar då den är i ledande tillstånd, som kan byta tillstånd med ett minimum av energiinsats och som inte ger upphov till någon förlusteffekt att tala om. Marknaden erbjuder en mängd olika switchkomponenter som utgör mer eller mindre vällyckade kompromisser mellan dessa krav. Effektförlusten i en halvledarswitch gör det ofta nödvändigt för konstruktören att välja en lösning som ligger långt från den idealiska, och detta problem växer med ökande systemspänning 1. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) är kanske den switchkomponent som bäst motsvarar idealet. Tyvärr har denna halvledartyp hittills endast kunnat utnyttjas för relativt låga spänningar, eftersom förlusterna för Dr. Karl Bergman ABB Forschungszentrum Västerås/Schweden en given strömtäthet ökar brant med ökande spärrspänning. En IGBT är i ett visst avseende en modifierad MOSFET, vars struktur kompenserar för nackdelarna hos MOSFET, till priset av högre switchförluster. Under åttiotalet kom IGBT att ersätta den bipolära transistorn som förstahandsval för spärrspänningar mellan några hundra volt och 2 kv. Över 2 kv håller GTO (Gate Turn-Off Thyristor) fortfarande stånd mot attackerna från IGBT. GTO tillåter mycket höga komponenteffekter, dock till priset av betydligt mer komplexa styrkretsar än vad som krävs för MOSFET och IGBT. Det som konstruktören av kraftelektronisk utrustning behöver är alltså en komponent som är lika lätthanterlig som MOS- FET, men som klarar av lika stora effekter som IGBT och GTO. Det är denna kombination av egenskaper som skulle kunna erbjudas av SiC-baserade MOSFET. Komponenter i kiselkarbid Kiselkarbid har ca 10 gånger så hög genomslagstålighet mot elektriska fält som dagens komponenter baserade på kisel. Till detta kommer väsentligt lägre förluster. Till exempel skulle en MOSFET byggd i kiselkarbid kunna ha en spänningstålighet på flera tusen volt, medan dagens komponenter som mest klarar V. Historiskt sett kan konstateras att nya switchtyper mer eller mindre har revolutionerat sättet att bygga kraftelektroniska system. Som exempel kan nämnas införandet av GTO, den första släckbara halvledarswitchen för riktigt höga effekter. Denna nyhet ändrade radikalt sättet att konstruera drivsystem för lok, och tillverkarna övergick från likström och synkronmaskiner matade av faskommuterade frekvensomriktare till växelströmsmaskiner matade av tvångskommuterade spänningsstyva frekvensomriktare. Vad industriella drivsystem beträffar har införandet av IGBT medfört en betydande storleksminskning hos såväl drivkretsar ABB Tidning 1/

2 A MOSFET log P BJT IGBT GTO Subjektiv jämförelse mellan olika halvledare: praktisk användbarhet A som funktion av styrbar effekt P som huvudkretsar, med ökad prestanda och minskade kostnader som följd. Kiselkarbiden tål tio gånger högre fältstyrka För att kunna hantera en spänning U b måste krafthalvledarens spärrskikt ha en viss tjocklek W, som är beroende av hur kraftigt elektriskt fält E max som materialet klarar av utan genomslag. Minsta tjocklek W hos spärrskiktet beräknas enligt följande ekvation: W > 2 U b E max (1) Under vissa omständigheter kan faktorn 2 uteslutas. E max för SiC är omkring tio gånger högre än för Si 1) och det är detta som är den primära fördelen hos SiC. För en given spänning kommer den erforderliga tjockleken hos en SiC-komponent alltså endast att vara en tiondel av den hos en motsvarande Si-komponent. 1) E max är inte en konstant, utan värdet beror på faktorer som dopning och temperatur. För enkelhetens skull kommer emellertid Emax att betraktas som en konstant inom ramen för denna artikel, då det därav följande felet är relativt litet. 1 Ekvation (2), vilken är mera känd som Maxwells ekvation, ställer krav på materialets dopning, dvs på styrningen av dess halt av "orenheter". de dx = = qn + d 0 0 (2) där är laddningstätheten, och 0 har sina vanliga betydelser som dielektriska konstanter, q är elementarladdningen och N d+ koncentrationen av joniserade donatorer. (Vi har i sammanhanget antagit att spänningen upprätthålls av ett lågdopat n-lager, så som är fallet hos de flesta kraftkomponenter av såväl Si som SiC.) Om vi antar konstant dopningskoncentration och kombinerar (1) och (2) blir resultatet: N d + < 0 E max 2 qu b (3) Följaktligen kan för varje given genombrottsspänning och med en tio gånger högre tillåten fältstyrka med SiC dopningen av spärrskiktet i en SiC-halvledare vara omkring hundra gånger större än i Si-fallet. Kiselkarbid-MOSFET har lägre förlusteffekter Som tidigare nämnts är MOSFET den krafthalvledarswitch som har de förnämsta egenskaperna ur kretskonstruktörens (och slutanvändarens) synvinkel. Strukturen hos en typisk Si-baserad MOSFET illustreras av 2. Som framhållits ovan har emellertid MOSFET hittills bara tillämpats för spärrspänningar upp till några hundra volt. Ett av skälen till detta framgår av ekvation (4): 2 4 U r ds,on = b 3 µ 0 E max 2 (4) där r ds,on är den specifika resistansen (mätt i cm 2 ) hos spärrskiktet, vilket även kallas driftregionen hos en vertikal MOS- FET. Intuitivt inses att resistansen ökar med bredden på driftregionen och mins- kar med ökande dopning, eftersom detta leder till ett större antal laddningsbärare som kan överföra strömmen. µ representerar rörligheten hos dessa laddningsbärare, i de flesta fall elektroner. Enligt (4) ökar resistansen hos driftregionen i en MOSFET med kvadraten av spärrspänningen. För Si når resistansen oacceptabelt höga värden då V b ökat till några hundra volt. Resistansen sjunker med kuben på den kritiska fältstyrkan. Eftersom den kritiska fältstyrkan hos SiC är omkring 10 gånger den hos Si, blir ledningsförlusterna hos en SiC-baserad MOSFET oerhört mycket lägre än hos en Si-baserad komponent, åtminstone i det spänningsområde där ledningsförlusterna domineras av driftregionen. Vad som nämnts ovan gäller alla så kallade unipolära komponenter, dvs komponenter som endast utnyttjar en typ av laddningsbärare för att överföra ström. Till denna grupp räknas MOSFETs, JFETs (Junction Field Effect Transistors) och Schottky-dioder. Bipolära komponenter för högre spänningsområden Eftersom Si-baserade MOSFET inte kan utnyttjas i spänningsområden över några hundra volt, hänvisas konstruktören till andra, bipolära, komponenter då systemspänningarna ökar. Som framgår av (3) Struktur av en möjlig MOSFET på SiC-bas. n-skiktet är den spärrade delen av halvledaren och formar till stor del de ledande egenskaperna Gate Source n + p n - n + Drain 2 38 ABB Tidning 1/1996

3 SiC-försökssubstrat (wafer) i olika storlekar med diodstruktur (Foto: IMC) 3 Mikroskopfotografi av defekter, s k mikrorör (mörka linjer), genom ett substrat. Dessa mikrorör har den diameter på ca 1 µm. (Foto: Linköpings universitet) 4 ovan begränsas resistansen av antalet tillgängliga laddningsbärare N d+. I bipolära komponenter, som pn-dioder, IGBT och GTO, ökas antalet laddningsbärare genom injektion från anod- och katodemittrarna i samband med att komponenten blir ledande. Detta medför dramatiskt minskade ledningsförluster i jämförelse med MOS- FET. Elektroner levereras från katoden och hål från anoden. Strömmen leds alltså av såväl negativa elektroner som positiva hål: därför uttrycket bipolära komponenter. Nackdelen med injektion av laddningsbärare i bipolära komponenter är att överskjutande injicerad laddning måste avlägsnas från komponenten under släckning, innan den kan övergå till icke-ledande tillstånd. Detta sker med hjälp av en ström i motsatt riktning och så kallad rekombination, alltså ömsesidig neutralisering av elektroner och hål. Den tid som går åt för att eliminera överskottet av laddningsbärare är allt annat än försumbar, och medan denna process pågår kan spänning och ström nå höga värden samtidigt, vilket innebär stora switchförluster. Priset för relativt låga ledningsförluster är följaktligen relativt höga switchförluster. Givetvis måste överskottet av laddningsbärare elimineras även i MOSFET och andra unipolära komponenter, men förlusterna i samband med detta är normalt mycket mindre än hos bipolära komponenter. Den totala mängden injicerad specifik laddning q inj är lika med: q inj = J (5) där J är strömtätheten och är vad som kallas minoritetsladdningsbärarens livslängd, dvs den genomsnittliga tiden för rekombination av en elektron och ett hål. Minoritetsladdningsbärarnas livslängd i en krafthalvledare bestäms av koncentrationen av vissa strukturdefekter eller orenheter, vilka tillverkaren har kontroll över. Tillverkaren söker alltså en lämplig kompromiss mellan ledningsförluster och switchförluster för varje komponenttyp, beroende på vad den ska användas för. Bipolära SiC-komponenter för spänningar över 10 kv Som tidigare nämnts förlitar sig kretskonstruktören på bipolära komponenter endast i de fall då systemspänningen är för ABB Tidning 1/

4 hög för att unipolära komponenter som MOSFET och Schottky-dioder ska kunna användas. SiC gör det möjligt att konstruera MOSFET och Schottky-dioder med mycket högre spärrspänning än vad som är möjligt med Si. I framtiden kan man alltså förvänta sig se MOSFET i de flesta tillämpningar, inklusive sådana vars systemspänning uppgår till flera kilovolt. Vissa tillämpningar, som t ex SVC och HVDC, uppvisar systemspänningar som ligger mycket högre än den spärrspänning som går att uppnå med vilket material som helst. I dessa fall fordras i stället seriekoppling av komponenter. Här väljs komponenternas spärrspänningar för att optimera förluster och systemprestanda. Tyristorerna för dessa tilllämpningar uppvisar typiskt spärrspänningar på 6 7 kv. Att spärrspänningen hamnat just här är resultatet av en kompromiss mellan kostnad, prestanda, ledningsförluster och switchförluster. Så höga spärrspänningar kräver Si-skikt med en tjocklek i storleksordningen 1 mm och en livslängd hos minoritetsladdningsbärarna omkring 100 µs, vilket i sin tur ger upphov till betydande switchförluster. Med kiselkarbid i halvledarna hamnar den optimala spärrspänningen hos komponenter för sådana tillämpningar mycket högre. Till och med skulle släckbara komponenter med spärrspänningar långt över 10 kv kunna förutses. Minoritetsladdningsbärarnas livslängd skulle behöva ligga mellan 1 och 10 µs, vilket öppnar möjligheter för acceptabla switchprestanda. Kiselkarbid klarar väsentligt högre temperaturer Då det gäller Si brukar det allmänt anses vara lämpligt att inte låta temperaturen hos bipolära komponenter överstiga 125 C, medan unipolära komponenter som t ex MOSFET kan drivas vid temperaturer upp till 150 C. Den fysiska bakgrunden till dessa restriktioner utgörs bland annat av förhållandet att läckströmmen i backriktningen över pn-övergångar ökar med stigande temperatur, vilket innebär större risk för okontrollerad temperaturstegring, av förhållandet att laddnings- Kiselkarbidens epitaxiella tillväxt sker under högfrekvensvärmning vid temperaturer kring 1500 C. (Foto: IMC) 5 40 ABB Tidning 1/1996

5 bärarnas livslängd ökar med därav följande större risk för parasitiska destruktiva effekter, och av förhållandet att laddningsbärarnas rörlighet minskar, så att ledningsförlusterna ökar i unipolära komponenter. En grundläggande begränsning för drifttemperaturen hos en unipolär komponent är den temperatur där det halvledande materialet når gränsen bortom vilken densiteten av laddningsbärare inte styrs av dopningen utan av halvledarens bandgap. När denna gräns har överskridits bortfaller varje möjlighet till strömstyrning och spärrning. Vad Si beträffar ligger gränsen vid ca 300 C. SiC kan drivas vid mycket högre temperatur än Si. Läckströmmarna i pn-övergångarna är extremt små och tillåter spärrning vid betydligt högre temperaturer än Si. Drifttemperaturer över 300 C uppnås med lätthet. Gränstemperaturen ligger väl över 1000 C. Till exempel har en amerikansk forskargrupp bedrivit SiC-MOSFET-komponenter vid 650 C. Denna tålighet mot höga temperaturer kommer utan tvekan att tillåta förbättring av en del av de kompromisser som i dag är nödvändiga i samband med konstruktion av kraftelektroniska system. Det bör emellertid understrykas att de låga förluster som angetts ovan gäller vid de drifttemperaturer och strömdensiteter som är brukliga för Si-komponenter. Varför finns inte kiselkarbid-komponenter redan? De potentiella fördelarna med kiselkarbid som alternativ till kisel vid tillverkningen av krafthalvledare har varit kända sedan sextiotalet. Varför finns då inte tillgång till välutvecklade komponenter baserade på kiselkarbid i dag? Orsaken är givetvis tekniska svårigheter. Genom den komplicerade produktionen har hittills användningen av kiselkarbid varit omöjlig. Industriellt har materialet huvudsakligen använts som slipmedel, vanligen under namnet karborundum. Mikroskopisk mätning av genombrottsspänningen på en kiselkarbiddiod i SF 6 -gas (Foto: IMC) Kiselkarbid smälter inte under vanliga tryck utan övergår i gasfas vid ca 2500 C. Kristallen måste alltså odlas från gasfasen, vilket är betydligt mer komplicerat än i Sifallet, där odlingen sker från en smälta vid ca 1400 C. Ett av de största hindren för kiselkarbidens genomslag på området är bristen på substrat som håller tillräcklig hög kvalitet för industriell komponenttillverkning. På samma sätt som då det gäller Si fordras ett monokristallint substrat, det som brukar kallas wafer, innan komponenttillverkningen ens kan börja. I slutet av sjuttiotalet och början av åttiotalet utvecklades en metod att producera stora SiC-substrat 3. De substrat som tillverkades med denna metod, den så kallade modifierade Lely-metoden, lider emellertid av allvarliga defekter, kända som mikrorör. I 4 ser vi 6 ABB Tidning 1/

6 Microelectronics Centre) i Stockholm 5, 160 µm p A/cm har ABB nått vissa framstående resultat inom området SiC-komponenter för höga spänningar U BR V dessa defekter tydligt i ett mikroskopfotografi av ett substrat. Det har kunnat påvisas att ett enda sådant mikrorör som passerar en högspänd pn-övergång tar bort övergångens förmåga att spärra spänning. Frekvensen hos dessa defekter har under de senaste tre åren kunnat sänkas från tusentals per kvadratcentimeter till några tiotal per kvadratcentimeter. Trots denna framgång begränsas storleken hos chipen till några få kvadratmillimeter om ambitionen är att få ett utbyte av komponenttillverkningen som överstiger ett fåtal procent. Följaktligen begränsas märkströmmen per komponent till ett par ampere. Därför krävs ytterligare förbättringar av tekniken för substrattillverkning innan krafthalvledare baserade på SiC blir en kommersiell realitet. ABBs forskning kring kiselkarbid ABBs forskningsföretag, ABB Corporate Research, genomför ett svenskt forskningsprojekt kring kiselkarbid som även får U Ström/spännings-karakteristik och schematisk uppbyggnad av en försöksdiod på SiC-bas med en genombrottsspänning på 4,5 kv J Strömtäthet p + Emitter, 1,5 µm, 1 x cm 3 U Spänning n Bas, 45 µm, 1 x cm 3 U BR Genombrottsspänning n + Substrat n - n + stöd av svenska staten genom NUTEK (Närings- och Teknikutvecklingsverket). Under de få år som gått sedan projektet inleddes har ABB blivit en ledande faktor inom utvecklingen på detta nya område. ABBs forskning koncentreras på processerna för komponenttillverkning. Här ingår etsning, applicering av dielektriska skikt, oxidering, metallisering och kontaktering. Till skillnad mot vad som är fallet vid tillverkning av Si-baserade komponenter framställs en stor del av det faktiska SiC-materialet av komponenttillverkaren i stället för av en yttre substrattillverkare. Orsaken är att dopningen, det väl kontrollerande införandet av orenheter i kristallstrukturen genom diffusion vid hög temperatur, inte lämpar sig för SiC. I stället tillsätts dopningsämnet i samband med materialets epitaxiella tillväxt. För tunna strukturer, som t ex kontaktskikten, kan jonimplantation tillämpas på samma sätt som för Si. Tillsammans med forskarkollegor vid Linköpings universitet och IMC (Industrial 0 J 7 Världsrekord för diod av kiselkarbid Nyligen har en diod med en spärrspänning på 4,5 kv demonstrerats. Det innebär ett världsrekord. 7 visar komponentens ström/spännings-karakteristik, tillsammans med en ritning över dess principiella struktur. Resultatet utgör en fördubbling av det tidigare gällande spärrspänningsrekordet. En avgörande faktor som ligger bakom resultatet är det epitaxiala materialets kvalitet. Den tillväxtteknik som utvecklats vid Linköpings universitet har lett till skikt, som med en tjocklek upp till 90 µm och en renhet under /cm 3 bakgrundsdopning överträffar alla hittills rapporterade resultat. Som förklarats tidigare har skiktens tjocklek och renhet avgörande betydelse vid framställningen av kraftkomponenter för höga spänningar. Tills helt nyligen ansåg många auktoriteter på området att livslängden hos minoritetsladdningsbärarna var begränsad till under 100 ns. Dioderna för 4,5 kv som nämnts ovan och som illustreras av 4 har en livstid på ca 0,5 µs hos sina minoritetsladdningsbärare. I vissa fall har ännu högre värden observerats. Även om viktiga framsteg har gjorts återstår mycket arbete innan kraftkomponenter baserade på kiselkarbid når kommersiell mognad. Bland de problem som måste penetreras och lösas kan nämnas ytornas passivering och kvaliteten hos MOS-gränssnittet, vilka båda är kritiska faktorer för MOSFET-komponenter. Författare Dr. Karl Bergman ABB Corporate Research S Västerås Fax: +46 (0) ABB Tidning 1/1996