SiC材料到底有多大的作用?

2020-11-28 電子發燒友

SiC材料到底有多大的作用？

胡薇 發表於 2018-06-22 17:13:25

在可以預見的未來，我們將看到SiC對電力電子行業產生的革命性影響。SiC-MOSFET用於太陽能，UPS，工業等應用時，可以使得逆變器效率更高，輸出功率更大，系統尺寸更小，致冷系統更簡單（散熱器體積更小或採用空氣對流致冷）。

上世紀四五十年代，以矽(Si)和鍺(Ge)為代表的第一代半導體材料奠定了微電子產業的基礎。經過幾十年的發展，矽材料的製備與工藝日臻完美，Si基器件的設計和開發也經過了多次迭代和優化，正在逐漸接近矽材料的極限，Si基器件性能提高的潛力愈來愈小。

現代電子技術對半導體材料提出了高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等新要求，而寬帶隙第三代半導體材料SiC擁有卓越的開關性能、溫度穩定性和低電磁幹擾(EMI)，極其適合下一代電源轉換應用，如太陽能逆變器、電源、電動汽車和工業動力。

SiC功率器件的研發始於1970年代，80年代SiC晶體質量和製造工藝獲得大幅改進，隨著90年代高品質6H-SiC和4H-SiC外延層生長技術的成功應用，各種SiC功率器件的研究和開發進入迅速發展時期。

SiC是由矽和碳組成的化合物半導體材料，C原子和Si原子不同的結合方式使SiC擁有多種晶格結構，如4H,6H,3C等等。4H-SiC因為其較高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度，常被用來做功率器件。下表是4H-SiC與Si物理特性對比。我們可以清楚地看到4H-SiC禁帶寬度為Si的3倍，擊穿場強為Si的10倍，漂移率為Si的2倍，熱導率為Si的2.5倍。

圖1：Si，4H-SiC，SiC物理參量對比

這些優異的特性是如何帶來功率器件的改變呢？我們接下來分三個方面詳細地分析一下。

擊穿電壓與通態電阻

擊穿電壓是功率器件的一個重要指標。功率開關器件的正向電壓承受能力與其漂移區的長度和電阻率有關，而單極功率開關器件的通態電阻又直接決定於漂移區的長度和電阻率，與其製造材料擊穿電場強度的立方成反比。因為4H-SiC有10倍於Si的擊穿電場強度，因此基於SiC的功率器件允許使用更薄的漂移區來維持更高的阻斷電壓，從而顯著降低了正向壓降以及導通損耗。由下圖可見，如果要獲得5000V的耐壓，使用摻雜為2.5*1013/cm3的襯底材料，Si基功率器件需要漂移層厚度0.5mm，單位面積電阻為10Ωcm2；SIC MOSFET使用摻雜為2.0e15/cm3的漂移層，需要的厚度僅有0.05mm，單位面積電阻僅為0.02Ωcm2。

圖2：同等電壓下，Si和SiC功率器件漂移厚度與通態電阻對比

開關頻率

使用SiC代替Si，不但其通態比電阻會大大降低，動態損耗也會大大降低,。這是因為碳化矽的擊穿電場強度是矽的10倍，其電子飽和漂移速度也是矽的2倍，更有利於提高器件的工作頻率。傳統的矽基高頻功率器件比如MOSFET和肖特基二極體，在獲得更高耐壓的同時正向壓降也會成倍增加，因此不適合高壓應用，目前常見的MOSFET耐壓都在900V以下。因此目前高壓領域主要使用Si-IGBT，但IGBT是雙極型器件，在關斷時存在拖尾電流，造成比較大的關斷損耗。SiC MOSFET能夠承受相當高的阻斷電壓，並且因為是單極器件，不存在拖尾電流。SiC的出現將使MOSFET和肖特基二極體的應用拓展到更高的電壓等級。SiC單位面積的導通電阻非常低，與功率等級相當的Si器件相比，SiC器件的晶片尺寸可以大幅縮小，因此寄生電容更低，使器件的驅動更容易，且開關速度更快。因為SiC器件的高頻工作特性，在系統中可以使用更小變壓器，從而降低開關損失和提高效率，並且大大降低了系統的體積。

熱特性

SiC的禁帶寬度3.23ev，相應的本徵溫度可高達800攝氏度。如果能夠突破材料及封裝的溫度瓶頸，則功率器件的工作溫度將會提升到一個全新的高度。SiC材料擁有3.7W/cm/K的熱導率，而矽材料的熱導率僅有1.5W/cm/K，更高的熱導率可以帶來功率密度的顯著提升，同時散熱系統的設計更簡單，或者直接採用自然冷卻。

挑戰與展望

SiC雖然擁有卓越的性能，但離廣泛普及的應用，還存在著一些挑戰。例如SiC-SiO2界面電荷密度大大高於Si-SiO2，受此影響，SiC-MOSFET的溝道電子等效遷移率低到只有1-7cm2/Vs，使溝道電阻遠大於漂移區電阻，成為決定器件通態比電阻大小的主要成分。為了獲得合理的通態電阻，一般驅動SiC-MOSFET會選擇更高的門極電壓，而使用更高的門極電壓將會增加柵氧化層的電應力，從而對器件的長期可靠性造成不良影響。

為了解決這些困擾，一方面SiC襯底處理、外延生長和製備工藝等方面的進展將會大大降低缺陷密度；另一方面器件結構方面的改進也有助於降低柵極驅動電壓，延長器件壽命，比如英飛凌CoolSiC MOSFET採用的溝槽柵結構，在SiC晶體的C-面形成導電溝道。在這個晶面上，缺陷較少，界面電荷密度較低，因而允許更高的電子遷移率，從而使得器件可以採用與矽基IGBT及MOSFET相當的驅動電壓，約15V。

圖3：SiC DMOS 與 SiC Trench MOSFET

綜上，憑藉禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大等特性，在可以預見的未來，我們將看到SiC對電力電子行業產生的革命性影響。SiC-MOSFET用於太陽能，UPS，工業等應用時，可以使得逆變器效率更高，輸出功率更大，系統尺寸更小，致冷系統更簡單（散熱器體積更小或採用空氣對流致冷）。

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