什么是碳化硅SiC？碳化硅的特性分析

什么是碳化硅SiC？

近年來，使用“功率元器件”或“功率半導(dǎo)體”等說法，以大功率低損耗為目的二極管和晶體管等分立（分立半導(dǎo)體）元器件備受矚目。這是因?yàn)?，為了?yīng)對(duì)全球共通的“節(jié)能化”和“小型化”課題，需要高效率高性能的功率元器件。

然而，最近經(jīng)常聽到的“功率元器件”，具體來說是基于什么定義來分類的呢？恐怕是沒有一個(gè)明確的分類的，但是，可按以高電壓大功率的AC/DC轉(zhuǎn)換和功率轉(zhuǎn)換為目的的二極管和MOSFET，以及作為電源輸出段的功率模塊等來分類等等。

SiC（碳化硅）是一種由硅（Si）和碳（C）構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體材料。表1-1列出了各種半導(dǎo)體材料的電氣特征，SiC的優(yōu)點(diǎn)不僅在于其絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)（Breakdown Field）是Si的10倍，帶隙（Energy Gap）是Si的3倍，而且在器件制造時(shí)可以在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)必要的P型、N型控制，所以被認(rèn)為是一種超越Si極限的用于制造功率器件的材料。SiC存在各種多型體（結(jié)晶多系），它們的物性值也各不相同。最適合于制造功率器件的是4H-SiC，現(xiàn)在4inch～6inch的單晶晶圓已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。

為什么要發(fā)展碳化硅?

第一代元素半導(dǎo)體材料：如硅（Si）和鍺(Ge)；

第二代化合物半導(dǎo)體材料：如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等；

第三代寬禁帶材料：如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等。

第三代半導(dǎo)體材料又稱寬禁帶半導(dǎo)體材料，和傳統(tǒng)硅材料的主要區(qū)別在禁帶寬度上。具體來說，禁帶寬度是判斷一種半導(dǎo)體材料擊穿電壓高低的重要標(biāo)志，禁帶寬度值越大，則這種材料做成器件耐高壓的能力越強(qiáng)。除了更耐高壓，碳化硅基功率器件在開關(guān)頻率、散熱能力和損耗等指標(biāo)上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于硅基器件。此外碳化硅材料能夠把器件體積做的越來越小，能量密度越來越大，這也是全球主要的半導(dǎo)體巨頭都在不斷研發(fā)碳化硅器件的重要原因。

碳化硅的特性！

SiC的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍，因此與Si器件相比，能夠以更高的摻雜濃度并且膜厚更薄的漂移層制作出600V～數(shù)千V的高壓功率器件。高壓功率器件的電阻成分主要由該漂移層的電阻所組成，因此使用SiC材料可以實(shí)現(xiàn)單位面積導(dǎo)通電阻非常低的高壓器件。理論上當(dāng)耐壓相等時(shí)，SiC在單位面積下的漂移層電阻可以降低到Si的1/300。對(duì)于Si材料來說，為了改善由于器件

高壓化所帶來的導(dǎo)通電阻增大的問題，主要使用例如IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣柵極雙極型晶體管）等少數(shù)載流子器件（雙極型器件），但是卻存在開關(guān)損耗較大的問題，其結(jié)果是所產(chǎn)生的發(fā)熱問題限制了IGBT的高頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。SiC材料能夠以具有快速器件結(jié)構(gòu)特征的多數(shù)載流子器件（肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET）實(shí)現(xiàn)高壓化，因此可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)“高耐壓”、“低導(dǎo)通電阻”、“高頻”這三個(gè)特性。另外，SiC的帶隙較寬、大約是Si的3倍，因此能夠?qū)崿F(xiàn)在高溫條件下也可以穩(wěn)定工作的功率器件（目前由于受到封裝的耐熱

可靠性的制約，只保證到150℃～175℃，但是隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，將來也可能達(dá)到200℃以上的保證溫度）。

無錫國晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計(jì)配套服務(wù)，總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

公司具有國內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)實(shí)力，專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質(zhì)穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產(chǎn)品，同時(shí)提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持服務(wù)，使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠，并具有成本競爭力。

公司的碳化硅功率器件涵蓋650V/2A-100A，1200V/2A-90A，1700V/5A-80A等系列，產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品完全可以對(duì)標(biāo)國際品牌同行的先進(jìn)品質(zhì)及水平。先后推出全電流電壓等級(jí)碳化硅肖特基二極管、通過工業(yè)級(jí)、車規(guī)級(jí)可靠性測(cè)試的碳化硅MOSFET系列產(chǎn)品，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，應(yīng)用于太陽能逆變電源、新能源電動(dòng)汽車及充電樁、智能電網(wǎng)、高頻電焊、軌道交通、工業(yè)控制特種電源、國防軍工等領(lǐng)域。由于其具有高速開關(guān)和低導(dǎo)通電阻的特性，即使在高溫條件下也能體現(xiàn)優(yōu)異的電氣特性，大幅降低開關(guān)損耗，使元器件更小型化及輕量化，效能更高效，提高系統(tǒng)整體可靠性，可使電動(dòng)汽車在續(xù)航里程提升10%，整車重量降低5%左右，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)用充電樁的高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

特別在高低壓光耦半導(dǎo)體技術(shù)方面更是擁有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。在國內(nèi)創(chuàng)先設(shè)計(jì)開發(fā)了28nm光敏光柵開關(guān)PVG芯片技術(shù)，并成功量產(chǎn)應(yīng)用于60V、400V、600V高低壓、低內(nèi)阻、低電容的光電耦合繼電器芯片、涵蓋1500kVrms SOP超小封裝及3750kVrms隔離增強(qiáng)型常規(guī)SMD、DIP等不同封裝，單路、雙路、混合雙路、常開常閉等電路產(chǎn)品，另包括200V SOI MOS/LIGBT集成芯片、100V CMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit單片機(jī)等集成電路產(chǎn)品，均獲得市場(chǎng)及各重點(diǎn)科研單位、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的新產(chǎn)品認(rèn)定。

公司核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)中大部分工程師擁有碩士及以上學(xué)位，并有多名博士主持項(xiàng)目的開發(fā)。公司建立了科技創(chuàng)新和知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理的規(guī)范體系，在電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體器件及工藝設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、器件模型提取等方面積累了眾多核心技術(shù)，擁有多項(xiàng)國際、國內(nèi)自主發(fā)明專利。

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審核編輯：黃飛

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