碳化硅緣何成為第三代半導(dǎo)體重要材料

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一、碳化硅的前世今生
碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長(zhǎng)使用壽命1～2倍；用以制成的高級(jí)耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高，節(jié)能效果好。低品級(jí)碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學(xué)成分，提高鋼的質(zhì)量。此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。

碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級(jí)，僅次于世界上最硬的金剛石（10級(jí)），具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時(shí)能抗氧化。

二、碳化硅器件的優(yōu)勢(shì)特性
碳化硅（SiC）是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，世界各國(guó)對(duì)SiC的研究非常重視，紛紛投入大量的人力物力積極發(fā)展，美國(guó)、歐洲、日本等不僅從國(guó)家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃，而且一些國(guó)際電子業(yè)巨頭也都投入巨資發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體器件。

與普通硅相比，采用碳化硅的元器件有如下特性：

1、高壓特性

碳化硅器件是同等硅器件耐壓的10倍
碳化硅肖特基管耐壓可達(dá)2400V。
碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管耐壓可達(dá)數(shù)萬(wàn)伏，且通態(tài)電阻并不很大。

2、高頻特性

3、高溫特性
在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對(duì)于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對(duì)高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。

目前,低功耗的碳化硅器件已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了實(shí)用器件生產(chǎn)階段。目前碳化硅圓片的價(jià)格還較高,其缺陷也多。

三、最受關(guān)注的碳化硅MOS

SiC器件分類

碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)
碳化硅MOSFET（SiCMOSFET）N+源區(qū)和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活。另一個(gè)關(guān)鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時(shí)有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質(zhì)生長(zhǎng)方法。其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)如下：
平面vs溝槽

SiC-MOSFET采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮SiC的特性

碳化硅MOS的優(yōu)勢(shì)

硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時(shí)具備單極型器件的卓越開(kāi)關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開(kāi)關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高的工作頻率。
20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半，50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢(shì)。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時(shí)間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對(duì)于橋式電路來(lái)說(shuō)（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時(shí)候），這個(gè)指標(biāo)非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時(shí)間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來(lái)的損耗和噪音，便于提高開(kāi)關(guān)工作頻率。

碳化硅MOS管的應(yīng)用

碳化硅MOSFET模塊在光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應(yīng)用上具有巨大的優(yōu)勢(shì)。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢(shì)，可以突破現(xiàn)有電動(dòng)汽車電機(jī)設(shè)計(jì)上因器件性能而受到的限制，這是目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。如電裝和豐田合作開(kāi)發(fā)的混合電動(dòng)汽車（HEV）、純電動(dòng)汽車（EV）內(nèi)功率控制單元（PCU），使用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。三菱開(kāi)發(fā)的EV馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用SiCMOSFET模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊集成到了電機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了一體化和小型化目標(biāo)。預(yù)計(jì)在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外的電動(dòng)汽車上。

四、碳化硅肖特二極管

1、碳化硅肖特基二極管結(jié)構(gòu)

碳化硅肖特基二極管（SiCSBD）的器件采用了結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管結(jié)構(gòu)（JBS），可以有效降低反向漏電流，具備更好的耐高壓能力。

2、碳化硅肖特基二極管優(yōu)勢(shì)

碳化硅肖特基二極管是一種單極型器件，因此相比于傳統(tǒng)的硅快恢復(fù)二極管（SiFRD），碳化硅肖特基二極管具有理想的反向恢復(fù)特性。在器件從正向?qū)ㄏ蚍聪蜃钄噢D(zhuǎn)換時(shí)，幾乎沒(méi)有反向恢復(fù)電流（如圖1.2a），反向恢復(fù)時(shí)間小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)時(shí)間在10ns以內(nèi)。因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的效率。另一個(gè)重要的特點(diǎn)是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù)，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這與硅FRD正好相反。這使得碳化硅肖特基二極管非常適合并聯(lián)使用，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

概括碳化硅肖特基二極管的主要優(yōu)勢(shì)，有如下特點(diǎn)：

1.幾乎無(wú)開(kāi)關(guān)損耗
2.更高的開(kāi)關(guān)頻率
3.更高的效率
4.更高的工作溫度
5.正的溫度系數(shù)，適合于并聯(lián)工作
6.開(kāi)關(guān)特性幾乎與溫度無(wú)關(guān)

碳化硅肖特基二極管的應(yīng)用

碳化硅肖特基二極管可廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源、功率因素校正（PFC）電路、不間斷電源（UPS）、光伏逆變器等中高功率領(lǐng)域，可顯著的減少電路的損耗，提高電路的工作頻率。在PFC電路中用碳化硅SBD取代原來(lái)的硅FRD，可使電路工作在300kHz以上，效率基本保持不變，而相比下使用硅FRD的電路在100kHz以上的效率急劇下降。隨著工作頻率的提高，電感等無(wú)源原件的體積相應(yīng)下降，整個(gè)電路板的體積下降30%以上。