簡(jiǎn)要剖析碳化硅

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

近年來，全球?qū)﹄娏Φ男枨笾鹉暝鲩L(zhǎng)。伴隨著化學(xué)燃料的枯竭和CO2排放量增多引發(fā)的全球變暖現(xiàn)象，人們對(duì)能源問題和地球環(huán)境問題的擔(dān)憂日益加深?，F(xiàn)如今，電力的有效利用已成為當(dāng)務(wù)之急。其中，碳化硅功率元器件作為新一代"環(huán)保元器件"，正備受業(yè)界關(guān)注。

碳化硅（SiC，下文中的碳化硅簡(jiǎn)稱為SiC）一經(jīng)問世就開始大展拳腳，在電源、汽車、鐵路、工業(yè)設(shè)備、家用消費(fèi)類電子設(shè)備等領(lǐng)域皆取得了顯著的成效。SiC是一種由硅（Si）和碳（C）構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體材料，帶隙是Si的3倍，在器件制作時(shí)可以在較寬范圍內(nèi)控制必要的p 型、n 型,所以被認(rèn)為是一種超越Si極限的功率器件用材料。SiC中存在各種多型體（結(jié)晶多系），它們的物性值也各不相同。用于功率器件制作的話，4H‐SiC為合適不過。由于SiC天然含量甚少，故來源方式多為人造。常見的方法是將石英砂與焦炭混合，利用其中的二氧化硅和石油焦，加入食鹽和木屑，置入電爐中，加熱到2000°C左右高溫，經(jīng)過各種化學(xué)工藝流程后得到SiC微粉。與他的"兄弟"Si半導(dǎo)體相比，SiC功率元件絕緣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高約10倍，可達(dá)幾千V的高耐壓，另外單位面積的導(dǎo)通電阻非常低，可降低功率損耗。

SiC的應(yīng)用：

SiC-SBD（碳化硅-肖特基勢(shì)壘二極管）
開發(fā)出采用SiC材料的SBD，適用于PFC電路和逆變電路。具有Si-FRD無法達(dá)到的極短反向恢復(fù)時(shí)間。因?yàn)門otal Capacitive Charge(Qc)小、可以降低開關(guān)損失,實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)。而且，Si快速恢復(fù)二極管的trr會(huì)隨著溫度上升而增大，而SiC則可以維持大體一定的特性。

SiCMOSFET
SiC晶體管雖然以及開始產(chǎn)品化，但還不如SiC二極管那樣普及，只在很少的用途得到了采用。這是因?yàn)?，晶體管比二極管的制造工藝復(fù)雜，所以成品率低、價(jià)格高。SiCMOSFET可同時(shí)實(shí)現(xiàn)硅元器件無法實(shí)現(xiàn)的高速開關(guān)和低導(dǎo)通電阻，高溫下也具備優(yōu)良的電氣特性。開關(guān)時(shí)的差動(dòng)放大電流原則上是沒有的，所以可以高速運(yùn)作，開關(guān)損失降低。 小尺寸芯片的導(dǎo)通電阻低，所以實(shí)現(xiàn)低容量?低門極消耗。 Si產(chǎn)品隨溫度的上升導(dǎo)通電阻上升2倍以上，SiC的導(dǎo)通電阻上升小，可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)的小型化和節(jié)能化。

SiC制BJT
SiC雙極結(jié)型晶體管（BJT）方面，已經(jīng)公開發(fā)布了若干提高電流放大率的研發(fā)成果。電流放大率越高，越能以小電流開關(guān)BJT，有望縮小BJT控制電路的尺寸。BJT雖然具有導(dǎo)通電阻小等優(yōu)點(diǎn)，但由于是電流控制型，存在BJT控制電路容易增大的課題。

SiC功率模塊
內(nèi)置的功率半導(dǎo)體元件全部由SiC構(gòu)成，與Si(硅)材質(zhì)的IGBT模塊相比，可大幅降低開關(guān)損耗。 內(nèi)置SiC-SBD、SiC-MOSFET，與傳統(tǒng)的Si-IGBT相比，在100KHｚ以上的高頻環(huán)境下工作成為可能。 要想最大限度發(fā)揮新一代功率半導(dǎo)體的實(shí)力，封裝技術(shù)也至關(guān)重要。除封裝材料和接合材料的耐熱溫度外，還存在散熱能力等技術(shù)方面的課題。進(jìn)入2012年后，解決了上述課題的SiC模塊開始產(chǎn)品化。全SiC量產(chǎn)模塊最初只有額定電壓為1200V、額外電流為100A的一款產(chǎn)品，但通過高速開關(guān)和低損耗化，可以替換額定電流為200~400A的Si制IGBT模塊。

現(xiàn)今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)如火如荼，正步入黃金發(fā)展期，新能源汽車行業(yè)也在風(fēng)口起舞，這些新市場(chǎng)的開拓都會(huì)給SiC帶來機(jī)遇。因此，SiC相關(guān)材料的前景不可限量。

審核編輯黃宇