• 技術名稱
  • 碳化矽超接面金氧半場效電晶體製程技術
  • 計畫單位
  • 國立臺灣大學
  • 展區位置
  • 僅供線上展示
  • 聯絡人
  • 李坤彥
  • 電子信箱
  • kylee@ntu.edu.tw
技術說明 傳統垂直型的高功率金氧半場效電晶體(DMOSFET)在汲極和源極施加逆向偏壓時,會在結構內的N型飄移區產生電場,若是將電場分佈對飄移區的厚度做積分,所得積分值即為崩潰電壓,再將此一結構的導通電阻以崩潰電壓表示,可以知道隨著電壓的增加,導通電阻會急速增加,造成嚴重的導通功率損失。因此,傳統高功率金氧半場效電晶體結構在導通電阻及崩潰電壓間的Trade-off關係幾乎已經達到了理論值的界限了。所以,許多研究為了打破物理極限,求得更好的電性表現,做了非常多的結構上和材料上的改變。
在結構方面,超接面(Super Junction)的結構跟傳統垂直式的金氧半場效電晶體結構的主要差異是在飄移區中加入P型柱(P-pillar),使元件在順向導通時,電流路徑和傳統的高功率金氧半場效電晶體一樣,達成導通電流的狀態;但在逆向偏壓下,加在飄移區中的P型柱會使得飄移區內的空乏區向外擴展,直到充滿整個飄移區,增加空乏區面積,此時元件內的電場分佈最大,所以崩潰電壓會比傳統垂直式的金氧半場效電晶體高。或是說,在同樣的崩潰電壓下,飄移區的厚度可以比較薄,導通電阻跟著變小。隨著電壓的增加,導通電阻大概會線性增加,跟傳統垂直型的高功率金氧半場效電晶體比較,會大幅降低導通電阻,減少功率損失。
在材料方面,碳化矽材料所能承受之最大電場強度為矽材料的十倍,所以碳化矽半導體元件的厚度(垂直型)可以比矽元件來的薄,降低導通電阻;碳化矽材料的熱傳導係數也比矽材料高出一倍,使得在高溫操作下,元件溫升較低,周遭的冷卻系統,體積就可以設計得比較小;再加上它的本質濃度低及寬能隙的特性,使得碳化矽元件在高溫操作下不會像矽材料元件一樣產生大漏電流;而且,其逆向回復時間也比矽材料短很多,使得在電能轉換器中的切換損失大大降低。
因此,本計畫使用多層磊晶和高能量離子佈植技術成功的開發出碳化矽超接面高功率金氧半場效電晶體,並將碳化矽半導體元件應用在高溫、高壓及高頻操作下的電力系統,將會提高系統的效率、降低系統的體積和重量、節省可觀的空間和能量損失。
2019年,總計畫「碳化矽單晶片功率系統平台」參加未來科技展,強調的技術是3個子計畫的整合,尤其在低壓邏輯電路和驅動電路,當時的成果是實驗室階段的研究。當時的超接面高功率金氧半場效電晶體並未完成製程和試量產。今年已經順利完成了試量產,也調整了光罩設計和製程參數,準備開始量產。
科學突破性 本計畫開發的碳化矽超接面高功率金氧半場效電晶體,在結構上打破了傳統結構的物理極限,有效的降低導通阻值;在製程上,克服碳化矽材料擴散係數差的缺陷,成功的利用多層磊晶技術植入P型柱在N型飄移區內,形成超接面結構。順利將碳化矽超接面金氧半場效電晶體完成。
產業應用性 碳化矽二極體用在功因校正器上,體積重量減少約40%;碳化矽電能處理器用在電車上,功率損失減少36%;用在N700S新幹線上,重量減少11公噸;Tesla Model 3電動車也用碳化矽產品增加續航力和壽命。Yole Development統計碳化矽元件年產值達到22億美金,年複合成長率達到40%。
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