在過去的四年里，由于采用了更好的設(shè)計和制造工藝，以及高質(zhì)量材料的可用性，基于硅技術(shù)的功率器件取得了重大進展。然而，大多數(shù)商用功率器件現(xiàn)在正接近硅提供的理論性能極限，特別是在它們阻斷高壓的能力、在導通狀態(tài)下提供低電壓降以及在非常高的頻率下開關(guān)的能力方面。多年來，許多專門從事電子設(shè)計領(lǐng)域的研究人員和公司致力于尋找硅的替代解決方案，以滿足最新一代電源應用對效率、可靠性和低成本的要求。碳化硅 (SiC)是一種寬帶隙 (WBG) 材料，可提供遠遠超過硅在電源應用中提供的性能所需的卓越電氣和物理特性。如圖 1 所示，更高的能帶隙使 WBG 材料在功率轉(zhuǎn)換應用中優(yōu)于硅。基于 WBG 的器件（例如碳化硅）與等效的基于硅的器件相比，尺寸更小，可承受更高的工作溫度。

圖 1：不同材料之間的能帶隙比較（來源：貿(mào)澤）

GeneSiC Semiconductor 是一家由 Ranbir Singh 博士創(chuàng)立并擔任董事長的公司，幾年前開始開發(fā) SiC 功率器件技術(shù)，成為該領(lǐng)域的先驅(qū)和世界領(lǐng)先者，擁有 26 項美國專利。GeneSiC 提供的 SiC 器件技術(shù)在眾多電力應用中實現(xiàn)高效率方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如汽車、智能電網(wǎng)、工業(yè)、航空航天和國防、石油和天然氣、可再生能源、醫(yī)療和運輸部門。

“GeneSiC 成立于 2004 年，很快就獲得了第一批關(guān)于碳化硅器件的專利。盡管我們的很多資金實際上來自美國政府用于下一代創(chuàng)新 SiC 技術(shù)開發(fā)，但我們不希望僅僅被視為小眾參與者。我們是一個非常專注于技術(shù)的團隊，希望為我們的客戶提供一流的性能和可靠性、創(chuàng)新技術(shù)、最高質(zhì)量、大批量周轉(zhuǎn)的具有競爭力的價格和較短的交貨時間。我們提供包含 100 多種碳化硅產(chǎn)品的全面產(chǎn)品組合，并提供強大的產(chǎn)品和客戶支持。”Ranbir Singh 博士說。

碳化硅的好處

作為寬帶隙半導體，碳化硅表現(xiàn)出比硅更大的帶隙能量（3.2eV，大約是硅的三倍，等于1.1eV）。由于需要更多的能量來激發(fā)半導體導電帶中的價電子，因此可以實現(xiàn)更高的擊穿電壓、更高的效率和更好的高溫熱穩(wěn)定性。SiC MOSFET 的主要優(yōu)點是漏源極導通電阻 (R DS(ON))，在相同擊穿電壓下比硅器件低300-400倍。因此，基于 SiC 的功率器件能夠提供更高的功率水平，從而最大限度地減少功率損耗、提高效率并減少組件占用空間。基于 SiC 的器件具有高電熱導率和極高的開關(guān)速度。低輸出電容和低 R DS(ON)使 SiC 器件適用于開關(guān)設(shè)計，例如電源、三相逆變器、放大器和電壓轉(zhuǎn)換器（AC-DC 和 DC-DC）。使用 SiC 器件還可以顯著節(jié)省成本并減小許多開關(guān)應用中使用的磁性元件（變壓器、電感器、電感器）的尺寸。

熱導率是一個額外的關(guān)鍵特性，它表明提取半導體器件功率損耗產(chǎn)生的熱量是多么容易，防止器件的工作溫度危險地上升。對于熱導率低的半導體器件，如硅，更難以保持較低的工作溫度。為此，引入了一種特定的操作模式，稱為降額，通過該模式引入性能的部分降級，以免在高溫下?lián)p害組件。相反，高熱導率確保設(shè)備可以充分冷卻，而不會導致性能下降。碳化硅能夠在至少 200°C 的溫度下工作，這比硅 MOS 器件的典型結(jié)溫高 50°C。對于許多 SiC 器件，該溫度可高達 400°C 或更高。這種特性使 SiC 功率器件即使在高溫下也能高效運行，避免性能降級并減少平均故障時間 (MTTF)，同時提高質(zhì)量和可靠性。

“在熱管理方面，我想說目前我們的產(chǎn)品都是采用非常先進的熱管理封裝技術(shù)制造的。例如，我們所有的產(chǎn)品，除了 DO-214 (SMD) 封裝，都是用銀燒結(jié)制成的。”Ranbir Singh 博士說。

Silver Sintering 是一種芯片連接和鍵合技術(shù)，可提供無空隙且牢固的鍵合，并具有出色的導熱性和導電性。銀燒結(jié)能夠?qū)㈦娮悠骷慕Y(jié)溫 (Tj) 降低至 100℃。

圖 2 顯示了 N 溝道增強型 GeneSiC 碳化硅 MOSFET。該器件具有 V DS =1.2kV、R DS(ON) =20mΩ 和 I D =65A，適用于電力應用，例如：電動汽車快速充電、太陽能逆變器、智能電網(wǎng)、工業(yè)逆變器和電機驅(qū)動、交通和更多的。

圖 2：GeneSiC 1.2kV SiC MOSFET

圖 3：4 引線 TO-247/1.7kV 45mOhm 封裝

碳化硅設(shè)計注意事項

即使硅能夠滿足目前電力電子領(lǐng)域的大部分需求，其化學物理特性也限制了其在高溫和高工作電壓下的性能。為確保在這些條件下器件正常運行，GeneSiC 提供基于 SiC 的器件，例如 MOSFET 晶體管、肖特基二極管（包括那些具有合并引腳肖特基或 MPS 設(shè)計的器件）、PiN 二極管和結(jié)型晶體管。過去幾年，碳化硅器件的結(jié)構(gòu)和制造工藝不斷完善，解決了一些操作和可靠性方面的問題，包括與 SiC MOSFET 中柵極氧化物的可靠性相關(guān)的問題。

“關(guān)于柵極氧化物可靠性問題，GeneSiC 的 SiC MOSFET 設(shè)計為最大柵極氧化物場明顯低于每厘米 4 兆伏。關(guān)于氧化物可靠性的第二個方面是柵極氧化物-SiC 界面的質(zhì)量。用于 GeneSiC 的 SiC MOSFET 制造的柵極氧化工藝確保了極低的缺陷密度，無論是在柵極氧化物內(nèi)還是在柵極氧化物-SiC 界面處，“Ranbir Singh 博士說。

與SiC MOSFET 晶體管相關(guān)的另一個重要方面與內(nèi)置體二極管的穩(wěn)定性有關(guān)。在傳統(tǒng)的 H 橋功率轉(zhuǎn)換電路中，MOSFET 體二極管在續(xù)流操作期間傳導額定電流。由于體二極管的運行，來自幾家領(lǐng)先器件供應商的 SiC MOSFET 導致器件特性顯著下降。

“所以，這個（體二極管穩(wěn)定性）方面更多地與 SiC 材料、起始 SiC 襯底晶片中的某些缺陷以及如何生長碳化硅外延層有關(guān)；您的層的設(shè)計方式以及您使用的生長技術(shù)類型決定了體二極管的穩(wěn)定性。”Ranbir Singh 博士說。

有時，很容易將組件的可靠性與其穩(wěn)健性混淆。后者是一個參數(shù)，用于證明設(shè)備可以承受的電氣濫用程度，即使是很短的時間。有些操作可以很好地執(zhí)行，例如，使用肖特基二極管，而其他操作則不能，因為它們無法承受雪崩擊穿條件下的操作。.

“在 GeneSiC，我們確保我們所有的設(shè)備都保證達到業(yè)內(nèi)最高的穩(wěn)健性水平。我們的 SiC MPS TM整流器和 MOSFET 經(jīng)過 100% 雪崩測試。我們的 SiC MOSFET 具有最長的短路時間，可實現(xiàn)最低的 RDS ON，因此可以在這里找到一個很好的折衷方案。”Ranbir Singh 博士說。

審核編輯 黃昊宇