SiC器件新興技術(shù)

在當今的現(xiàn)代社會，由于加熱、機器人、電動/混合動力汽車、電力傳輸?shù)葢?yīng)用的增加，對基于功率、設(shè)備的需求正在上升。由于這些因素，提高高電壓和低損耗的功率型器件對于提供高性能和低成本的創(chuàng)新電網(wǎng)應(yīng)用非常關(guān)鍵。

隨著MOSFET和IGBT的發(fā)明，硅基功率開關(guān)器件使系統(tǒng)能夠以更高的效率實現(xiàn)更大的輸出。

最近的研究表明，碳化硅（SiC）器件是一種新興的技術(shù)，具有傳統(tǒng)硅所缺乏的多種特性。SiC具有比Si更寬的帶隙，允許更高的電壓阻斷，并使其適用于高功率和高電壓應(yīng)用。此外，SiC還具有比Si更低的熱阻，這意味著它可以更有效地散熱，具有更高的可靠性。

SiC相對于Si的特點和優(yōu)勢

SiC的主要優(yōu)勢是其寬帶隙，比硅大三倍。SiC的寬帶隙意味著它能比硅阻擋更大的電壓，使它適合用于高壓電力電子。SiC的高擊穿電壓使其成為高功率應(yīng)用的理想選擇，如高壓電源逆變器和轉(zhuǎn)換器。除了寬帶隙之外，SiC還具有低熱阻，這使它能夠更有效地散熱。這使它成為高溫應(yīng)用的理想選擇，因為熱量管理是一個關(guān)鍵問題。SiC的低熱阻可以幫助減少功率損失，提高電力系統(tǒng)的效率。

圖1：電場分布示意圖

上圖說明了SiC和Si在相同擊穿電壓下的單側(cè)突變結(jié)的電場分布。

考慮到Sic的擊穿電壓比Si高10倍，SiC功率器件的電壓阻斷層的寬度為1/10，與Si的同類器件相比，摻雜濃度應(yīng)增加兩個數(shù)量級。具有最小反向恢復(fù)的快速開關(guān)（也稱為低反向恢復(fù)電荷）是SiC功率器件的一個重要特征，在電力電子應(yīng)用中具有顯著的好處。

在傳統(tǒng)的電力電子應(yīng)用中，雙極性功率器件，如PiN二極管、IGBT、雙極結(jié)晶體管和晶閘管，由于能夠通過少數(shù)載流子注入的電導(dǎo)率調(diào)制來降低高導(dǎo)通電阻，因此被普遍使用。然而，這種雙極設(shè)計也導(dǎo)致了少數(shù)載流子的存儲，導(dǎo)致開關(guān)速度慢和關(guān)斷操作中的大反向恢復(fù)。

SiC單極器件，如肖特基勢壘二極管（SBD）和場效應(yīng)管，為這些應(yīng)用提供了一個更好的解決方案。這些器件即使在沒有電導(dǎo)率調(diào)制的情況下也具有較低的導(dǎo)通電阻，而且它們表現(xiàn)出快速的開關(guān)速度和最小的反向恢復(fù)，使它們成為中壓和高壓應(yīng)用的理想選擇。

下圖顯示了SiC和Si的單極和雙極功率器件在額定阻斷電壓方面的主要應(yīng)用。圖2顯示了SiC器件將如何在300V到更高電壓的范圍內(nèi)取代Si器件。

圖2：SiC和Si的應(yīng)用

SiC器件的運行

1、材料開發(fā)

SiC的研究和開發(fā)最初是由于需要擁有塊狀和外延生長技術(shù)，以實現(xiàn)長期的操作和生產(chǎn)方面的經(jīng)濟效益。

與硅不同，SiC在大氣壓力下不會熔化，因此必須通過升華法在2200℃以上的極高溫度下生長。隨著生長系統(tǒng)中溫度梯度控制的改進和硅片技術(shù)的進步，現(xiàn)在可以隨時獲得直徑為4英寸、質(zhì)量可接受的單晶SiC硅片。典型的生長溫度為1600℃，生長速度為10至50微米/小時。生長過程中的高氮污染問題已經(jīng)通過增加所用氣體中的C/Si比例或通過使用低壓化學氣相沉積（CVD）得到解決。

2、工藝開發(fā)

SiC中雜質(zhì)的低擴散常數(shù)使得擴散法不適合用于雜質(zhì)摻雜。因此，離子植入和生長過程中的原位摻雜是用于制造SiC器件的唯一技術(shù)。離子植入SiC的最顯著方面是在極高溫度下的植入后退火。植入后退火所需的高溫使離子植入成為SiC器件制造的最初步驟。盡管受到高溫退火的影響，植入的原子經(jīng)歷了非常少的擴散。

各種SiC功率器件的特性

1、SiC功率二極管

帶有肖特基觸點的功率二極管旨在最大限度地減少反向漏電流，并降低正向壓降，使其適用于高功率應(yīng)用。通過在靠近肖特基觸點邊緣的地方形成一個p型區(qū)域，抑制了場擁擠效應(yīng)，導(dǎo)致了更低的電阻和更高的載流能力。

圖3：SiC與金屬n型高度形成的功函數(shù)

圖3顯示了屏障高度是如何在1.0 eV到2.2 eV的范圍內(nèi)控制的。

600-1700V肖特基勢壘二極管的理想高度約為1.1-1.2eV。這些二極管最適合用于高頻功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，如開關(guān)電源設(shè)備。

2、SiC 功率開關(guān)器件

MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）是一種功率開關(guān)器件，通常用于各種應(yīng)用，包括大功率轉(zhuǎn)換、電機控制和開關(guān)電源。

圖4：SiC功率器件的特定

導(dǎo)通電阻與阻斷電壓的關(guān)系

圖4描述了SiC功率器件及其導(dǎo)通電阻與阻斷電壓。

當涉及到JFET時，只有一個pn結(jié)，沒有任何氧化物可靠性問題。為了抑制電場對溝道區(qū)域的滲透，埋入式p門的結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。與硅相比，SiC功率MOSFET的性能更優(yōu)越，因為SiC的高擊穿極限導(dǎo)致了高阻抗水平。

此外，溝槽MOSFET是另一種具有高堆積密度單元的功率器件。它們具有較高的溝道遷移率水平，這在高頻開關(guān)期間是很有用的。

結(jié)論

基于碳化硅（SiC）的器件在高電壓、低損耗功率器件的電路運行方面顯示出更大的電路彈性。與其前身硅（Si）相比，SiC作為一種材料具有很好的電氣特性，在高功率開關(guān)應(yīng)用中具有更高的效率。

隨著進一步的研究和開發(fā)，由于SiC的長期可靠性，SiC電源系統(tǒng)有能力被集成到各種高溫下的功率轉(zhuǎn)換器/逆變器中。

編輯：黃飛

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