導言：本文展望了碳化矽（SiC）下一步需要做什麼、將在何種領域應用以及如何成為功率器件的主導力量。
短短三年時間，作為一種新型半導體技術，碳化矽（SiC）已發展成為可與矽技術「匹敵」的半導體技術。現如今，SiC已進入了第三代產品，隨著越來越多應用的落地其性能有著顯著的增強。
隨著電動汽車（EV）、可再生能源（renewable energy）、5G以驚人的步伐創新升級，為了能夠滿足消費者和行業的需求，電源工程師越來越多地尋求在效率、成本和功能具有優勢的新解決方案。
SiC於1893年在亞利桑那州（Arizona）的隕石殘餘物被Ferdinand Henri Moissan博士發現，而這種絕美的晶體被稱之為是莫桑石（Moissanite）。這種可媲美鑽石的碳矽石，甚至擁有更強的耐熱性。如今，這種晶體已成為工業SiC晶片的基礎，毋庸置疑這是非常成功的一種新型半導體產品。晶圓技術狂熱者則更加關注這種晶石如何鑄成「SiC晶圓棒」，並急迫想知道新材料下一步該如何「升職」成為主力半導體材料。
SiC被人稱之為「第三代半導體材料」，究其歷史，第一代以Si、Ge為代表、第二代以GaAs、InP III-V族化合物為代表、第三代以SiC、GaN為代表。第三代半導體材料用其優異的材料物理特性，為電子器件性能功耗和尺寸提供了更多的發揮空間。
當然，SiC天然含量既為「天賜」，天然含量必然極少，目前主要多為人造。
第三代半導體技術之SiC
首先，讓我們回顧一下SiC的技術的現狀及與傳統矽解決方案的競爭優勢。如下圖1所示，與傳統的矽技術相比，SiC擁有更好的基材特性，越靠近靠近邊緣值越好。
圖1. Si和SiC材料特性的比較圖
具體來說，SiC的帶隙更寬，因此擁有更高的臨界擊穿電壓，電子速度更快，開關速度更加明顯。在額定電壓下，管芯尺寸可以更小，從而可具有低導通電阻，加之極好的導熱性，從而擁有低損耗和低運行溫度。另外，較小的裸片尺寸還減少了器件的電容，從而降低了開關功耗，SiC固有的高溫性能降低了熱應力。
UnitedSiC利用這種技術製造SiC FET，將SiC JFET與Si-MOSFET封裝在同一柵極，可實現為快速、低功耗、高雪崩電流額定值和擁有短路自限電流的體二極體。SiC FET具有簡單的柵極驅動器，可與早期型號的Si-MOSFET和IGBT兼容。因此，兼容性很強的它，可輕鬆地讓老器件升級。
在高開關頻率應用上，現在還可提供扁平的DFN8x8封裝，這種封裝可最大程度地減小引線電感，因此非常適合諸如LLC和全橋轉換電路的硬開關和軟開關應用。
迄今為止，UnitedSiC已有器件突破了UF3C的壁壘，是首款1200V、開爾文門連接4引腳TO-247封裝下，RDS（ON）（譯者註：指FET漏極D與源極導通時D、S間的電阻）低於10毫歐的SiC FET器件。
UnitedSiC中使用的SiC晶圓已發展到六英寸的尺寸，其規模經濟性使其可與矽的價格水平保持一致，並在主流市場和尖端創新市場應用。
進一步改善SiC FET的驅動力
SiC FET已逐漸接近理想開關，但任何產品都需經過市場的「洗禮」，仍有許多要求需要實現。
電動汽車（EV）逆變器需要更高的效率以增加行駛距離、高功率DC/DC和大數據5G應用的AC/DC轉換器需要最大程度減少功耗、佔地面積和成本、工業需要更小型化、高效的電機驅動器……
這種需求仍然持續不斷地產生，甚至「高效率、低功耗」已成為SiC加粗放大的頭號標題。隨著SiC的新應用開發，這種需求就逐漸凸顯出來，諸如固態斷路器本身在高電流下功耗就極低，明顯優於使用擴展的安全操作區域（SOA）的SiC線性電源。
系統工程師也逐漸認識到減少尺寸和冷卻要求的重要性，在同樣的能源和硬體成本下，他們希望擁有更多的器件以及更廣泛的應用設備，例如更高的電壓和電流額定值以及更多的封裝選項。
比較當前和可能的未來設備
低於10毫歐的設備在100V額定電壓下並不具有可比較性，目前先進設備普遍是1200V電壓的。如果管芯面積較大，則會導致高電容和隨之而來的開關損耗，因此在1200V時低RDS（ON）並不會有什麼效果。因此，使用商定的「性能因子」（FOM）（例如RDS（ON）.A），結合低電阻和開關損耗以及每個晶片裸片數量的限制，從而降低成本。
EOSS對於設備輸出電容充電所需能量和降低開關損耗非常重要，同樣，對於整體損耗來說，有效的FOM是RDS（ON）.EOSS。
碳化矽的參數改良
顯而易見，對於SiC來說，利用關鍵的FOM相對於其他開關類型而言是一個巨大的進步，但如果想要更高的性能該如何？這還需要考慮其他可能與FOM改進相牴觸的參數。
如下圖2中所示，箭頭指示了運動的方向，以尋求更好的性能。BV代表的是臨界擊穿電壓，COSS是輸出電容，Qrr是反向恢復電荷，ESW是開關的能量損失，Diode Surge是體二極體效應峰值電流額定值，SCWT是短路耐受額定值，UIS是非鉗位感性開關額定值和RthJ -C是外殼熱阻結點。
圖2. SiC FET特性及其發展方向：現今是藍色，將來是橙色。
部分特性可疊加增強優勢，例如較小的模具尺寸可降低COSS，從而降低ESW；而部分特性則需要權衡取捨，例如，減少晶片體積可能會導致UIS評級降低。不過，雪崩電流峰值不會受到這些因素影響，這是在低能量雜散電感過衝和雷電測試的典型結果。
但是，在電池和封裝設計方面，許多組合在RSD（ON）上仍然還有改造的空間。尺寸減半後的裸片，COSS也將以相同的比例下降，並且ESW也會相應下降。通過對RDS（ON）進行相應的改進，可以使晶片更薄。UnitedSiC堅信，利用特性的調整將不會以犧牲額定電壓為代價，並且額定電壓將由750V標準電壓等級升高至1700V。
雖然挑戰仍然不斷地浮現，諸如原材料要達到零缺陷和完美的平坦度的要求，但整體的良率在單片晶圓裸片數量增加和「交叉輸出」上一直在提高。SiC實際來說，還是一個較為「年輕」的技術，與過去的MOSFET相同，這是一個需要技術逐漸沉澱的新技術，在成本和性能方面還仍有許多「慧根」。
SiC封裝的演變
隨著SiC FET器件的改進以及不同的應用領域的擴展，可以封裝的選項也越來越多了。
目前，TO-247封裝在業界寵愛有加，因為這種封裝方式可直接替代傳統的MOSFET和IGBT，並且許多柵極驅動是四引腳的開爾文連結。這有助於克服源極引線電感的影響，否則會導致漏極-源極di / dt較高而導通。D2PAK-3L和D2PAK-7L，TO-220-3L、TO247以及UnitedSiC最近推出的表面貼裝薄型DFN8x8封裝均經過優化，以最小的封裝電感實現了高頻工作。
未來，其他的SMD封裝將被提供，其中大多數採用銀燒結模壓連接，以實現更好的熱性能。模塊中的多個SiC裸片也將變得更加廣泛，單個裸片的額定電壓可能高達1200V，而使用堆疊式「超級級聯」排列以實現非常高的功率時，額定電壓可能高達6000V或更高。這些器件通常用於固態變壓器、MV-XFC快速充電器、風力發電系統、電力電拖和HVDC之中。
展望未來
電源領域的創新是迅速的，顯而易見的是半導體開關需要順應這種發展以符合市場期望。然而，採用新的性能基準，SiC可以遵循一條明確的道路來滿足需求。UnitedSiC當前正在開發新設備，以應對越來越廣泛的應用。
作者：Anup Bhalla
譯者：付斌
原文：allaboutcircuits