SiC功率技術(shù)現(xiàn)狀和大規(guī)模商業(yè)化的障礙

硅 （Si） 功率器件由于其低成本的批量生產(chǎn)、出色的起始材料質(zhì)量、易于制造和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的可靠性而在電力電子領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。盡管硅功率器件不斷改進(jìn)，但它們正在接近其工作極限，這主要是由于它們相對(duì)較低的帶隙、臨界電場(chǎng)和熱導(dǎo)率會(huì)導(dǎo)致高傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗以及較差的高溫性能。碳化硅 （SiC） 的大帶隙和臨界電場(chǎng)允許具有更薄層的高壓器件，從而降低電阻以及相關(guān)的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗。結(jié)合 SiC 的大熱導(dǎo)率，通過(guò)簡(jiǎn)化的熱管理，可以在高功率水平下高溫運(yùn)行。

此外，更薄的器件層和低比導(dǎo)通電阻允許減小電容的更小的形狀因數(shù)。這可以在遠(yuǎn)高于硅的頻率下高效運(yùn)行，從而最大限度地減小無(wú)源系統(tǒng)組件的尺寸。因此，基于 SiC 的系統(tǒng)更高效、更輕、體積更小，并且具有成本競(jìng)爭(zhēng)力（盡管器件成本高于 Si 器件），因?yàn)轶w積龐大的磁性元件和散熱器被最小化。

在過(guò)去的二十年中，這些引人注目的效率和系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致了重大的開(kāi)發(fā)工作，SiC 平面和溝槽 MOSFET 和 JFET 可作為分立元件和電壓范圍為 650 至 1，700 V 的高功率模塊從多家供應(yīng)商處商業(yè)化。 目前，電力電子工程師可以選擇 Si、SiC 和氮化鎵 （GaN） 組件用于他們的系統(tǒng)。當(dāng)然，在為應(yīng)用和電壓選擇合適的材料器件時(shí)，有許多權(quán)衡：電流、頻率、效率、溫度和成本是重要的考慮因素。

圖 1：Si、SiC 和 GaN 具有競(jìng)爭(zhēng)力的電壓范圍

圖 1顯示了 Si、SiC 和 GaN 極具競(jìng)爭(zhēng)力的電壓范圍。 硅可靠、堅(jiān)固、便宜，并且能夠在“較低”頻率下進(jìn)行大電流高效運(yùn)行。它在 15 至 650V 范圍內(nèi)特別具有競(jìng)爭(zhēng)力。GaN 以合理的成本提供高效的高頻操作，因?yàn)樗窃?CMOS 兼容的晶圓廠和代工廠中制造的，利用了硅制造的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。GaN 器件是橫向的——與具有垂直配置的 SiC 功率器件不同——這簡(jiǎn)化了封裝和 IC 制造。

然而，橫向配置實(shí)際上將操作限制在 ~650 V（一家 GaN 供應(yīng)商提供 900 V 器件），而 SiC 是高于該額定電壓的最佳解決方案。SiC 效率高，可在高電流和高頻率下工作。雖然不完全兼容 CMOS，它是在硅晶圓廠中制造的，只需對(duì)額外的 SiC 專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行少量資本投資。多個(gè)已建立的 Si 工藝已成功轉(zhuǎn)移到 SiC，并且特定的 SiC 工藝在全球眾多晶圓廠中處于成熟階段。總體而言，碳化硅具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)樗诔墒旃?jié)點(diǎn)完全折舊的大容量硅晶圓廠進(jìn)行加工，提供剩余的晶圓產(chǎn)能，最大限度地提高晶圓廠的利用率和利潤(rùn)。

審核編輯：符乾江