提高能源效率的碳化硅半導(dǎo)體

能源效率不斷需要進(jìn)一步優(yōu)化：這促使工業(yè)市場尋求不同的資源。

現(xiàn)在的半導(dǎo)體主要用硅和鍺生產(chǎn)。碳化硅 (SiC)已成為處理新型寬帶隙時最重要的資源，這要歸功于其具有更低損耗和更高開關(guān)速度的特性。

碳化硅提供比硅更高的效率水平，這主要是由于能量損失和反向充電顯著降低。這導(dǎo)致在開啟和關(guān)閉階段需要更多的開關(guān)功率和更少的能量。較低的熱損失還可以去除冷卻系統(tǒng)，從而減少空間、重量和基礎(chǔ)設(shè)施成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能應(yīng)用的不斷部署以及向云的遷移，提高能源密集型 IT 基礎(chǔ)設(shè)施的管理效率將變得越來越重要。

碳化硅比純硅具有更寬的帶寬，這使得技術(shù)即使在高工作溫度下也能使用。

寬帶隙參數(shù)

寬帶隙半導(dǎo)體的帶隙比硅或砷化鎵 (GaAs) 等常見半導(dǎo)體寬得多。這自然會轉(zhuǎn)化為更大的擊穿電場，并轉(zhuǎn)化為在高溫下工作和降低輻射敏感性而不損失電氣特性的可能性。

隨著溫度的升高，價帶中電子的熱能也會增加，直到它們達(dá)到必要的能量（在一定溫度下）才能跳到導(dǎo)帶。在硅的情況下，該溫度約為 150°C；然而，在 WBG 半導(dǎo)體的情況下，這些值要高得多。

高擊穿電場提供更高的擊穿電壓。該電壓是擊穿體二極管被破壞時的值，并且不斷增加的電流在源極和漏極之間流動。PN結(jié)二極管的擊穿電壓與擊穿電場成正比，而與材料的濃度成反比。

高電場為低得多的漂移區(qū)域提供了極好的摻雜水平和電阻。在擊穿電壓相同的情況下，漂移區(qū)的寬度與擊穿電場成反比。

另一個重要參數(shù)是漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻。分析前面的 PN 結(jié)二極管示例，我們可以看到導(dǎo)通電阻與單極元件的擊穿電場成反比。

較薄的半導(dǎo)體層涉及較低密度的少數(shù)電荷載流子，這是定義反向恢復(fù)電流的重要參數(shù)。事實上，在其他特性相同的情況下，具有更大芯片以支持更高電流的組件將具有更大的電荷，在傳導(dǎo)和阻斷之間經(jīng)歷瞬態(tài)，因此將具有更大的反向恢復(fù)電流。半導(dǎo)體切換到高頻的能力與其飽和漂移速度成正比：碳化硅和氮化鎵的漂移速度是硅的兩倍。因此，后者可以在更高的頻率下安全地工作。此外，更高的飽和漂移率相當(dāng)于更快地去除電荷；這導(dǎo)致更短的恢復(fù)時間和更低的反向恢復(fù)電流。

在高溫和更寬的帶隙下工作的可能性還取決于材料的導(dǎo)熱性。評估熱阻的方法有多種：可以分析結(jié)與外殼之間的熱阻或結(jié)與環(huán)境之間的熱阻。

當(dāng)沒有連接外部散熱器時，結(jié)和環(huán)境之間的熱阻是一個有用的參數(shù)，例如在您想要比較不同封裝的熱性能的情況下。

可以使用品質(zhì)因數(shù)以與導(dǎo)通電阻和柵極輸入電荷之間的乘積成正比的方式來比較材料。這些參數(shù)分別決定導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，并相互關(guān)聯(lián)；通常，較低電荷值的組件將具有略高的導(dǎo)通電阻。

碳化硅二極管

碳化硅二極管多為肖特基二極管。經(jīng)典的硅二極管基于 PN 結(jié)。在肖特基二極管中，金屬被 p 型半導(dǎo)體取代，形成金屬-半導(dǎo)體 (ms) 結(jié)或肖特基勢壘。這提供了低導(dǎo)通壓降、高開關(guān)速度和低噪聲。肖特基二極管用于控制電路內(nèi)電流的流動方向，使其僅從陽極流向陰極。當(dāng)肖特基二極管處于未偏置狀態(tài)時，自由電子將從 n 型半導(dǎo)體移動到金屬，形成勢壘。在正向偏置狀態(tài)的情況下，如果電壓大于 0.2 V，電子可以穿過勢壘。

碳化硅二極管的漏電流遠(yuǎn)低于普通二極管。作為 WBG 半導(dǎo)體，碳化硅具有低得多的漏電流，并且可以比硅摻雜得更高。此外，由于碳化硅的帶隙較寬，碳化硅二極管的正向電壓高于硅二極管。

在對 System Plus Consulting 電力電子和化合物半導(dǎo)體團(tuán)隊成員 Amine Allouche 的采訪中，我們重點介紹了 SiC 二極管的一些特性。

與普通的 PiN 二極管不同，肖特基二極管沒有恢復(fù)電流，因為它們是具有多數(shù)電荷載流子的單極組件。然而，它們確實表現(xiàn)出一些由封裝和電路的寄生能力和電感引起的恢復(fù)效應(yīng)。SiC 二極管的主要應(yīng)用是在電源電路中，尤其是在 CCM（連續(xù)傳導(dǎo)模式）中的 PFC（功率因數(shù)校正）電路中。碳化硅 (SiC) 使二極管具有更高的故障電壓和更高的電流容量，從而在工業(yè)充電中找到了空間。

“根據(jù) Yole Développement 的數(shù)據(jù)，2019 年功率 SiC 裸二極管管芯市場價值 1.6 億美元。這包括各種不同的細(xì)分市場，例如汽車、能源、工業(yè)……事實上，SiC 二極管主要用于中壓應(yīng)用（汽車、光伏、電機(jī)控制……）到高壓應(yīng)用（智能電網(wǎng)……）。在汽車應(yīng)用中，SiC 器件，尤其是 SiC 二極管，目前被用于車載充電器 (OBC)，”Amine Allouche 說。

與所有 SiC 芯片一樣，Amine Allouche 強(qiáng)調(diào)，SiC 二極管面臨的主要挑戰(zhàn)可分為三個級別：

材料層面：碳化硅晶圓的生產(chǎn)成本較高（例如與硅晶圓相比）。商業(yè)化的晶圓尺寸仍然有限（最多 6 英寸），而硅晶圓目前正在過渡到 12 英寸。

制造可靠設(shè)備所需的高質(zhì)量晶圓的大批量供應(yīng)商數(shù)量有限。我們的報告強(qiáng)調(diào)了這一點，我們比較了以下 SiC 二極管制造商/銷售商的原始 SiC 晶圓成本：英飛凌、Wolfspeed、羅姆、意法半導(dǎo)體、安森美半導(dǎo)體、美高森美和 UnitedSiC。

器件級：器件可靠性面臨一些關(guān)鍵工藝步驟的挑戰(zhàn)，例如 SiC 外延、SiC 摻雜（需要高溫）、SiC 蝕刻……與更成熟的硅技術(shù)相比，制造良率仍有待提高。

我們的報告詳細(xì)介紹了外延良率和晶圓前端制造良率對 SiC 二極管生產(chǎn)成本的影響。

系統(tǒng)級：封裝是 SiC 二極管的另一個挑戰(zhàn)。需要開發(fā)新的封裝解決方案才能充分受益于 SiC 技術(shù)優(yōu)勢。我們的報告詳細(xì)介紹了與市場上可用的 SiC 二極管相關(guān)的不同封裝方面，從封裝類型、芯片連接到引線鍵合。

SiC 二極管可以組裝成分立封裝，用作混合模塊中帶有硅基晶體管的反并聯(lián)二極管，或用作帶有 SiC 晶體管的全 SiC 模塊中的反并聯(lián)二極管。
“在我們的報告中，我們重點介紹了制造商的芯片貼裝選擇等。在我們分析的 7 個制造商的 11 個 SiC 二極管中，我們觀察到了五種類型的芯片連接。其中以錫基附著最為常見。然而，一個賣家使用特定類型的高性能芯片連接，但這會損害制造成本，”Amine Allouche 說。

碳化硅的高導(dǎo)熱性允許更好的散熱，提供比硅更小的外形尺寸。這允許降低成本并使用更小的包裝。

碳化硅肖特基二極管的恢復(fù)時間和電恢復(fù)電荷較淺；重要且有趣的是，恢復(fù)時間和電流與溫度和電流瞬變無關(guān)，這與硅二極管不同，硅二極管的恢復(fù)時間和電流隨溫度而大大增加。

SiC 二極管是逆變器的絕佳替代品：通過簡單地將它們用作二極管，與硅 IGBT 反向并聯(lián)放置，可以降低損耗。在典型的混合動力電動汽車 (HEV) 中，用碳化硅組件替代硅組件可使?fàn)恳侍岣?10% 以上。這導(dǎo)致散熱器體積減少到 1/3。

審核編輯 黃昊宇