碳化硅緣何成為第三代半導體重要材料

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一、碳化硅的前世今生
碳化硅由于化學性能穩(wěn)定、導熱系數(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葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強度高，節(jié)能效果好。低品級碳化硅（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，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），具有優(yōu)良的導熱性能，是一種半導體，高溫時能抗氧化。

二、碳化硅器件的優(yōu)勢特性
碳化硅（SiC）是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導體材料，世界各國對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、歐洲、日本等不僅從國家層面上制定了相應的研究規(guī)劃，而且一些國際電子業(yè)巨頭也都投入巨資發(fā)展碳化硅半導體器件。

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2400V。
碳化硅場效應管耐壓可達數(shù)萬伏，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高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關鍵。

目前,低功耗的碳化硅器件已經(jīng)從實驗室進入了實用器件生產(chǎn)階段。目前碳化硅圓片的價格還較高,其缺陷也多。

三、最受關注的碳化硅MOS

SiC器件分類

碳化硅MOS的結構
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℃溫度中進行退火激活。另一個關鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質(zhì)生長方法。其溝槽星結構的優(yōu)勢如下：
平面vs溝槽

SiC-MOSFET采用溝槽結構可最大限度地發(fā)揮SiC的特性

碳化硅MOS的優(yōu)勢

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法實現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時具備單極型器件的卓越開關性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關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。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復時間trr和反向恢復電荷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%。對于橋式電路來說（特別當LLC變換器工作在高于諧振頻率的時候），這個指標非常關鍵，它可以減小死區(qū)時間以及體二極管的反向恢復帶來的損耗和噪音，便于提高開關工作頻率。

碳化硅MOS管的應用

碳化硅MOSFET模塊在光伏、風電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應用上具有巨大的優(yōu)勢。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢，可以突破現(xiàn)有電動汽車電機設計上因器件性能而受到的限制，這是目前國內(nèi)外電動汽車電機領域研發(fā)的重點。如電裝和豐田合作開發(fā)的混合電動汽車（HEV）、純電動汽車（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。三菱開發(fā)的EV馬達驅(qū)動系統(tǒng)，使用SiCMOSFET模塊，功率驅(qū)動模塊集成到了電機內(nèi)，實現(xiàn)了一體化和小型化目標。預計在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應用在國內(nèi)外的電動汽車上。

四、碳化硅肖特二極管

1、碳化硅肖特基二極管結構

碳化硅肖特基二極管（SiCSBD）的器件采用了結勢壘肖特基二極管結構（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

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)的硅快恢復二極管（SiFRD），碳化硅肖特基二極管具有理想的反向恢復特性。在器件從正向?qū)ㄏ蚍聪蜃钄噢D換時，幾乎沒有反向恢復電流（如圖1.2a），反向恢復時間小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復時間在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。另一個重要的特點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，有如下特點：

1.幾乎無開關損耗
2.更高的開關頻率
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.開關特性幾乎與溫度無關

碳化硅肖特基二極管的應用

碳化硅肖特基二極管可廣泛應用于開關電源、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，電感等無源原件的體積相應下降，整個電路板的體積下降30%以上。