隨著科技產(chǎn)品的更新?lián)Q代，科技產(chǎn)物所使用的原材料當(dāng)然也將接受不同的命運(yùn)?；虮粡U棄；或被淘汰；或被改良；又或是與其他材料碰撞以研究出新的材料。而在這其中，碳化硅（SiC）為何能在半導(dǎo)體材料中的地位經(jīng)久不衰？或許這跟SiC本身強(qiáng)大的適應(yīng)力和優(yōu)點(diǎn)以及性價(jià)比有關(guān)。

一、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。

二、最受關(guān)注的碳化硅MOS

1、SiC-MOSFET

SiC-MOSFET是碳化硅電力電子器件研究中最受關(guān)注的器件。成果比較突出的就是美國(guó)的Cree公司和日本的ROHM公司。

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關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關(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)于橋式電路來說（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)帶來的損耗和噪音，便于提高開關(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。

三、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)，幾乎沒有反向恢復(fù)電流，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)實(shí)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)：

幾乎無開關(guān)損耗

更高的開關(guān)頻率

更高的效率

更高的工作溫度

正的溫度系數(shù)，適合于并聯(lián)工作

開關(guān)特性幾乎與溫度無關(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(yīng)下降，整個(gè)電路板的體積下降30%以上。

四、如何評(píng)價(jià)碳化硅?

幾乎凡能讀到的文章都是這樣介紹碳化硅：

碳化硅的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶),達(dá)到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)為硅的5.3倍,高達(dá)3.2MV/cm.其導(dǎo)熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管,與相同耐壓的硅器件相比,其漂移電阻區(qū)的厚度薄了一個(gè)數(shù)量級(jí)。其雜質(zhì)濃度可為硅的2個(gè)數(shù)量級(jí)。由此,碳化硅器件的單位面積的阻抗僅為硅器件的100分之一。它的漂移電阻幾乎就等于器件的全部電阻。因而碳化硅器件的發(fā)熱量極低。這有助于減少傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，工作頻率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半導(dǎo)體還有的固有的強(qiáng)抗輻射能力。

近年利用碳化硅材料制作的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等功率器件,已可采用少子注入等工藝,使其通態(tài)阻抗減為通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身發(fā)熱量小,因而碳化硅器件的導(dǎo)熱性能極優(yōu)。還有,碳化硅功率器件可在400℃的高溫下正常工作。其可利用體積微小的器件控制很大的電流。工作電壓也高得多。

五、碳化硅器件目前發(fā)展勢(shì)頭如何?

1、技術(shù)參數(shù)：舉例來說，肖特基二極管電壓由250伏提高到1000伏以上，芯片面積小了，但電流只有幾十安。工作溫度提高到180℃，離介紹能達(dá)600℃相差很遠(yuǎn)。壓降更不盡人意，與硅材料沒有差別，高的正向壓降要達(dá)到2V。

2、市場(chǎng)價(jià)格：約為硅材料制造的5到6倍。

六、為何SIC器件還無法普及？

早在20世紀(jì)60年代，碳化硅器件的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)為人們所熟知。之所以目前尚未推廣普及，是因?yàn)榇嬖谥S多包括制造在內(nèi)的許多技術(shù)問題。直到現(xiàn)在SIC材料的工業(yè)應(yīng)用主要是作為磨料（金剛砂）使用。

SIC在能夠控制的壓力范圍內(nèi)不會(huì)融化，而是在約2500℃的升華點(diǎn)上直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。所以SIC單晶的生長(zhǎng)只能從氣相開始，這個(gè)過程比SIC的生長(zhǎng)要復(fù)雜的多，SI在大約1400℃左右就會(huì)熔化。使SIC技術(shù)不能取得商業(yè)成功的主要障礙是缺少一種合適的用于工業(yè)化生產(chǎn)功率半導(dǎo)體器件的襯底材料。對(duì)SI的情況,單晶襯底經(jīng)常指硅片（wafer）,它是從事生產(chǎn)的前提和保證。一種生長(zhǎng)大面積SIC襯底的方法以在20世紀(jì)70年代末研制成功。但是用改進(jìn)的稱為L(zhǎng)ely方法生長(zhǎng)的襯底被一種微管缺陷所困擾。

只要一根微管穿過高壓PN結(jié)就會(huì)破壞PN結(jié)阻斷電壓的能力，在過去三年中，這種缺陷密度已從每平方毫米幾萬根降到幾十根。除了這種改進(jìn)外，當(dāng)器件的最大尺寸被限制在幾個(gè)平方毫米時(shí)，生產(chǎn)成品率可能在大于百分之幾，這樣每個(gè)器件的最大額定電流為幾個(gè)安培。因此在SIC功率器件取得商業(yè)化成功之前需要對(duì)SIC的襯底材料作更大技術(shù)改進(jìn)。