什么是碳化硅器件

SiC器件是一種新型的硅基 MOSFET，特別是 SiC功率器件具有更高的開關速度和更寬的輸出頻率。SiC功率芯片主要由 MOSFET和 PN結組成。

在眾多半導體器件中，碳化硅材料具有低熱導率、高擊穿電場、高電子飽和漂移速度和高電子遷移率等優異特性，因此碳化硅半導體器件是目前綜合性能最好的半導體器件之一。

碳化硅器件因其優越的電學特性在航空航天領域得到廣泛應用，但要使其具備商用價值，則必須解決以下幾個關鍵問題：

?低導通電阻：在同樣功率下的碳化硅場效應晶體管比同等尺寸的硅器件小約一半；

?低噪聲：由于碳化硅場效應晶體管的高頻噪聲比傳統硅低2個數量級，因此能夠滿足未來更高分辨率和更小尺寸對超高分辨率和更高頻率要求。

?超高耐壓能力：在相同條件下，碳化硅晶體管可承受更高的電壓波動范圍；

?高效散熱設計原則：當工作在高溫或高頻時，碳化硅場效應器件散熱能力最強；

碳化硅半導體器件的介紹

碳化硅（SiC）半導體是第三代寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度可達3.18 eV，而 Si和 Ge的禁帶寬度分別為3.4 eV和2.7 eV，因此相比 Si材料具有更高的擊穿電壓。

目前被廣泛應用于電力電子器件的硅、鍺、氮化鎵、碳化硅等三種材料屬于第一代寬禁帶半導體材料，目前它們的發展還不夠成熟，在高頻功率器件，高壓大電流場合等應用中具有很大優勢。

而隨著國家新能源政策導向下對光伏發電的大力支持以及碳化硅的優勢日益明顯，碳化硅半導體器件受到了越來越多科技工作者和企業人士的關注。

在碳化硅基半導體器件的發展過程中，由于工藝技術方面還存在著諸多問題需要進一步完善。

其中主要包括：高溫、高壓技術方面，碳化硅基晶體管在高溫與高壓條件下會產生較大的熱應力；

低溫絕緣性問題主要是因為其電子遷移率與溫度關系較為復雜；

而為了解決這些問題，目前業界已經研發出了多項相關技術和產品。

一、耐壓

碳化硅基半導體器件是高頻開關器件，其工作電壓在25~500V之間，因此需要在耐壓方面有較高的要求。

隨著功率半導體器件的發展，傳統Si MOSFET已逐漸被碳化硅（SiC） MOSFET所取代。由于 SiC基 MOSFET具有更高的耐壓能力，使得 SiC基功率半導體器件成為高壓、高頻開關器件的主流方案。

碳化硅半導體是一種理想的寬禁帶半導體材料，擁有優良的高溫性能和熱穩定性，同時具有耐高電壓、耐高溫以及高熱導率等特性，因此被廣泛應用于高壓開關、大功率電源、電力電子器件等領域。

碳化硅半導體器件具備耐高壓性能是因為它在高溫下能夠實現高電子遷移率，在高頻下能夠有效降低熱損耗以及提高轉換效率。

由于 SiC具有高熱導率和寬禁帶特性，因此在高壓下實現高轉換效率將成為 SiC基 MOS功率半導體器件的一個重要發展方向。

二、漏電流

SiC的熱傳導系數高，因而能夠降低器件的熱阻。隨著頻率的增加，其熱阻將會上升。但是這并不意味著 SiC就不需要散熱系統，如果沒有特殊的散熱系統， SiC也能工作在較高頻率的環境中：

（4）采用金屬接觸技術也能實現降低熱阻，但會增加器件功耗。

碳化硅具有優良的高頻特性，其工作頻率超過100 kHz。目前主要采用金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）或者場效應晶體管（FET）來實現低損耗、高耐壓能力。

三、開關速度

與 Si器件相比，碳化硅基晶體管具有更高的擊穿電壓和比功率。

SiC基場效應晶體管的導通電壓低于 Si基場效應管，但開關速度較快，可達到200 ns。

[SiC與 SiC基半導體器件相比，其熱性能（尤其是開關性能）和電性能都很低，因此對熱循環要求不高。

[對于在高溫高壓下工作的碳化硅器件來說，這一點尤為重要。

為了提高器件的抗高溫高壓能力，可以采用多種方法。

1.采用具有耐腐蝕、耐熱、絕緣性能好的單晶材料；

2.通過優化摻雜工藝可以提高導電率；3.改變摻雜濃度可提高器件的擊穿電壓；4.通過調整 SiC的摻雜濃度來滿足不同電流等級場合對耐高溫和耐壓能力的要求。

四、工作溫度

目前，碳化硅基器件的工作溫度主要集中在600℃-1200℃之間。

雖然碳化硅具有耐高溫的特點，但是其高溫下器件性能也會出現一定程度的下降。

因此，碳化硅基器件在高溫環境下的穩定性仍需要進一步研究，尤其是耐熱型器件。

（2）在高溫條件下，器件表面易產生熱阻。

碳化硅基薄膜晶體管可以實現寬溫度范圍內的高功率密度封裝。

但在600℃以下時，器件絕緣性能會下降，需要添加保護電路以降低絕緣溫度；但隨著材料中摻雜濃度減小，則材料結構變化較??；同時碳化硅基晶體管可達到2 eV以下的低溫截止電壓。

由于其耐高壓和耐熱性好、耐高溫等特點，碳化硅基產品已經被廣泛應用于功率放大器等高電壓和高頻領域。

五、開關頻率和動態范圍

由于碳化硅基半導體器件擁有更高的擊穿電壓和更高的熱導率，因此，碳化硅電子器件可以承受更高的工作頻率，在高頻、高溫條件下應用時可減少熱應力對其可靠性的影響。

碳化硅基半導體器件開關速度快，在高頻應用時不會出現由于動態范圍低而導致信號抖動的現象。

通過采用不同技術方法，可以有效提高碳化硅半導體器件在高頻、高壓、大電流條件下的性能。

目前業界對碳化硅半導體器件進行了多種封裝形式并通過仿真和測試對碳化硅器件在高溫和高壓情況下性能進行研究。

其中有：采用 SiC陶瓷基基板（如 Baseline、 NCVD等）與碳化硅基體材料（如Incoloy-N和Si0-Bi）組成的疊層結構，將 SiC疊層電極封裝在襯底上并與之形成共形結構。這種封裝結構可以有效降低了器件本身熱膨脹系數，使得碳化硅晶體管具有更高的開關頻率。

六、反向恢復時間

反向恢復時間指在反向偏置時，半導體器件由零漂移到接近零漂移的轉換時間。

反向恢復時間取決于材料和工藝，目前比較常用的是 SiC MOSFET的反向恢復時間。反向恢復時間越短，則電流容量就越大。

一般情況下，當二極管在工作時的最高溫度高于臨界溫度（或擊穿溫度），半導體器件就會產生明顯的熱應力，導致器件失效。因此，需要對器件工作時的最高溫度和臨界溫度進行預測。

目前業界使用一種方法來對器件的反向恢復時間進行預測：利用一系列參數對器件在不同工作條件下發生擊穿時所需要的正向恢復時間和反向性進行比較，從而實現反向恢復時間預測。

七、尺寸和成本問題

碳化硅器件的尺寸大小對成本影響較大。根據目前 SiC器件產品的技術水平，其成本可能比硅器件低30%到50%，但是從長遠來看，隨著尺寸的增大，其成本還會進一步增加。

如果在同一工藝水平下用相同尺寸的器件制作碳化硅功率管和二極管，則所需的設備投資和材料成本都比較高。因為用相同尺寸但材料不同的功率管（如 IGBT）可以實現同樣的功率輸出能力。

目前市面上已經出現了一些采用碳化硅進行生產的公司：

但是由于碳化硅基半導體材料本身在高溫、高壓下就容易產生熱應力，因此采用碳化硅進行生產工藝復雜且成本較高。

目前國內僅有少數企業能夠自主設計生產碳化硅基功率管和二極管產品。