SiC材料到底有多大的作用？

在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，我們將看到SiC對(duì)電力電子行業(yè)產(chǎn)生的革命性影響。SiC-MOSFET用于太陽(yáng)能，UPS，工業(yè)等應(yīng)用時(shí)，可以使得逆變器效率更高，輸出功率更大，系統(tǒng)尺寸更小，致冷系統(tǒng)更簡(jiǎn)單（散熱器體積更小或采用空氣對(duì)流致冷）。

上世紀(jì)四五十年代，以硅(Si)和鍺(Ge)為代表的第一代半導(dǎo)體材料奠定了微電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，硅材料的制備與工藝日臻完美，Si基器件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)也經(jīng)過(guò)了多次迭代和優(yōu)化，正在逐漸接近硅材料的極限，Si基器件性能提高的潛力愈來(lái)愈小。

現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體材料提出了高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等新要求，而寬帶隙第三代半導(dǎo)體材料SiC擁有卓越的開(kāi)關(guān)性能、溫度穩(wěn)定性和低電磁干擾(EMI)，極其適合下一代電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用，如太陽(yáng)能逆變器、電源、電動(dòng)汽車(chē)和工業(yè)動(dòng)力。

SiC功率器件的研發(fā)始于1970年代，80年代SiC晶體質(zhì)量和制造工藝獲得大幅改進(jìn)，隨著90年代高品質(zhì)6H-SiC和4H-SiC外延層生長(zhǎng)技術(shù)的成功應(yīng)用，各種SiC功率器件的研究和開(kāi)發(fā)進(jìn)入迅速發(fā)展時(shí)期。

SiC是由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體材料，C原子和Si原子不同的結(jié)合方式使SiC擁有多種晶格結(jié)構(gòu)，如4H,6H,3C等等。4H-SiC因?yàn)槠漭^高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度，常被用來(lái)做功率器件。下表是4H-SiC與Si物理特性對(duì)比。我們可以清楚地看到4H-SiC禁帶寬度為Si的3倍，擊穿場(chǎng)強(qiáng)為Si的10倍，漂移率為Si的2倍，熱導(dǎo)率為Si的2.5倍。

圖1：Si，4H-SiC，SiC物理參量對(duì)比

這些優(yōu)異的特性是如何帶來(lái)功率器件的改變呢？我們接下來(lái)分三個(gè)方面詳細(xì)地分析一下。

擊穿電壓與通態(tài)電阻

擊穿電壓是功率器件的一個(gè)重要指標(biāo)。功率開(kāi)關(guān)器件的正向電壓承受能力與其漂移區(qū)的長(zhǎng)度和電阻率有關(guān)，而單極功率開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)電阻又直接決定于漂移區(qū)的長(zhǎng)度和電阻率，與其制造材料擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的立方成反比。因?yàn)?H-SiC有10倍于Si的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，因此基于SiC的功率器件允許使用更薄的漂移區(qū)來(lái)維持更高的阻斷電壓，從而顯著降低了正向壓降以及導(dǎo)通損耗。由下圖可見(jiàn)，如果要獲得5000V的耐壓，使用摻雜為2.5*1013/cm3的襯底材料，Si基功率器件需要漂移層厚度0.5mm，單位面積電阻為10Ωcm2；SIC MOSFET使用摻雜為2.0e15/cm3的漂移層，需要的厚度僅有0.05mm，單位面積電阻僅為0.02Ωcm2。

圖2：同等電壓下，Si和SiC功率器件漂移厚度與通態(tài)電阻對(duì)比

開(kāi)關(guān)頻率

使用SiC代替Si，不但其通態(tài)比電阻會(huì)大大降低，動(dòng)態(tài)損耗也會(huì)大大降低,。這是因?yàn)樘蓟璧膿舸╇妶?chǎng)強(qiáng)度是硅的10倍，其電子飽和漂移速度也是硅的2倍，更有利于提高器件的工作頻率。傳統(tǒng)的硅基高頻功率器件比如MOSFET和肖特基二極管，在獲得更高耐壓的同時(shí)正向壓降也會(huì)成倍增加，因此不適合高壓應(yīng)用，目前常見(jiàn)的MOSFET耐壓都在900V以下。因此目前高壓領(lǐng)域主要使用Si-IGBT，但I(xiàn)GBT是雙極型器件，在關(guān)斷時(shí)存在拖尾電流，造成比較大的關(guān)斷損耗。SiC MOSFET能夠承受相當(dāng)高的阻斷電壓，并且因?yàn)槭菃螛O器件，不存在拖尾電流。SiC的出現(xiàn)將使MOSFET和肖特基二極管的應(yīng)用拓展到更高的電壓等級(jí)。SiC單位面積的導(dǎo)通電阻非常低，與功率等級(jí)相當(dāng)?shù)腟i器件相比，SiC器件的芯片尺寸可以大幅縮小，因此寄生電容更低，使器件的驅(qū)動(dòng)更容易，且開(kāi)關(guān)速度更快。因?yàn)镾iC器件的高頻工作特性，在系統(tǒng)中可以使用更小變壓器，從而降低開(kāi)關(guān)損失和提高效率，并且大大降低了系統(tǒng)的體積。

熱特性

SiC的禁帶寬度3.23ev，相應(yīng)的本征溫度可高達(dá)800攝氏度。如果能夠突破材料及封裝的溫度瓶頸，則功率器件的工作溫度將會(huì)提升到一個(gè)全新的高度。SiC材料擁有3.7W/cm/K的熱導(dǎo)率，而硅材料的熱導(dǎo)率僅有1.5W/cm/K，更高的熱導(dǎo)率可以帶來(lái)功率密度的顯著提升，同時(shí)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，或者直接采用自然冷卻。

挑戰(zhàn)與展望

SiC雖然擁有卓越的性能，但離廣泛普及的應(yīng)用，還存在著一些挑戰(zhàn)。例如SiC-SiO2界面電荷密度大大高于Si-SiO2，受此影響，SiC-MOSFET的溝道電子等效遷移率低到只有1-7cm2/Vs，使溝道電阻遠(yuǎn)大于漂移區(qū)電阻，成為決定器件通態(tài)比電阻大小的主要成分。為了獲得合理的通態(tài)電阻，一般驅(qū)動(dòng)SiC-MOSFET會(huì)選擇更高的門(mén)極電壓，而使用更高的門(mén)極電壓將會(huì)增加?xùn)叛趸瘜拥碾姂?yīng)力，從而對(duì)器件的長(zhǎng)期可靠性造成不良影響。

為了解決這些困擾，一方面SiC襯底處理、外延生長(zhǎng)和制備工藝等方面的進(jìn)展將會(huì)大大降低缺陷密度；另一方面器件結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)也有助于降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓，延長(zhǎng)器件壽命，比如英飛凌CoolSiC MOSFET采用的溝槽柵結(jié)構(gòu)，在SiC晶體的C-面形成導(dǎo)電溝道。在這個(gè)晶面上，缺陷較少，界面電荷密度較低，因而允許更高的電子遷移率，從而使得器件可以采用與硅基IGBT及MOSFET相當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電壓，約15V。

圖3：SiC DMOS 與 SiC Trench MOSFET

綜上，憑借禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大等特性，在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，我們將看到SiC對(duì)電力電子行業(yè)產(chǎn)生的革命性影響。SiC-MOSFET用于太陽(yáng)能，UPS，工業(yè)等應(yīng)用時(shí)，可以使得逆變器效率更高，輸出功率更大，系統(tǒng)尺寸更小，致冷系統(tǒng)更簡(jiǎn)單（散熱器體積更小或采用空氣對(duì)流致冷）。