采用SiC材料元器件的特性結(jié)構(gòu)介紹

1、SiC材料的物性和特征

SiC（碳化硅）是一種由Si（硅）和C（碳）構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體材料。SiC臨界擊穿場強是Si的10倍，帶隙是Si的3倍，熱導(dǎo)率是Si的3倍，所以被認為是一種超越Si極限的功率器件材料。SiC中存在各種多種晶型，它們的物性值也各不相同。其中，4H-SiC最合適用于功率器件制作。另外，SiC是唯一能夠熱氧化形成SiO2的化合物半導(dǎo)體，所以適合制備MOS型功率器件。

2、功率器件的特征

SiC的臨界擊穿場強是Si的10倍，因此與Si器件相比，能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移層作出高耐壓功率器件。高耐壓功率器件的導(dǎo)通電阻主要來源于漂移層電阻，因此采用SiC可以得到單位面積導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓器件。理論上，相同耐壓的器件，SiC的單位面積的漂移層電阻可以降低到Si的1/300。而Si材料中，為了改善伴隨高耐壓化而引起的導(dǎo)通電阻增大的問題，主要采用如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 絕緣柵雙極型晶體管)等少數(shù)載流子器件（雙極型器件），但是卻存在開關(guān)損耗大的問題，其結(jié)果是由此產(chǎn)生的發(fā)熱會限制IGBT的高頻驅(qū)動。SiC材料卻能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件(肖特基勢壘二極管和MOSFET)去實現(xiàn)高耐壓，從而同時實現(xiàn)"高耐壓"、"低導(dǎo)通電阻"、"高頻"這三個特性。另外，帶隙較寬，是Si的3倍，因此SiC功率器件即使在高溫下也可以穩(wěn)定工作。

3、SiC MOSFET特征

a、器件結(jié)構(gòu)和特征

Si材料中越是高耐壓器件，單位面積的導(dǎo)通電阻也越大（以耐壓值的約2～2.5次方的比例增加），因此600V以上的電壓中主要采用IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）。IGBT通過電導(dǎo)率調(diào)制，向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導(dǎo)通電阻比MOSFET還要小，但是同時由于少數(shù)載流子的積聚，在Turn-off時會產(chǎn)生尾電流，從而造成極大的開關(guān)損耗。SiC器件漂移層電阻比Si器件低，不需要進行電導(dǎo)調(diào)制就能夠以MOSFET實現(xiàn)高耐壓和低導(dǎo)通電阻。而且MOSFET原理上不產(chǎn)生尾電流，所以用SiC-MOSFET替代IGBT時，能夠明顯地減少開關(guān)損耗，并且實現(xiàn)散熱部件的小型化。另外，SiC-MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅(qū)動，從而也可以實現(xiàn)無源器件的小型化。與600V～900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的優(yōu)勢在于芯片面積?。蓪崿F(xiàn)小型封裝），而且體二極管的恢復(fù)損耗非常小。主要應(yīng)用于工業(yè)機器電源、高效率功率調(diào)節(jié)器的逆變器或轉(zhuǎn)換器中。

b、標準化導(dǎo)通電阻

SiC的絕緣擊穿場強是Si的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實現(xiàn)高耐壓。因此，在相同的耐壓值情況下，SiC可以得到單位面積導(dǎo)通電阻更低的器件。例如900V時，SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1，就可以實現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻。不僅能夠以小封裝實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結(jié)電容也變小。SJ-MOSFET只有900V的產(chǎn)品，但是SiC卻能夠以很低的導(dǎo)通電阻輕松實現(xiàn)1700V以上的耐壓。因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結(jié)構(gòu)（導(dǎo)通電阻變低，則開關(guān)速度變慢），就可以實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高耐壓、快速開關(guān)等各優(yōu)點兼?zhèn)涞钠骷?/p>

c、Vd-Id特性

SiC-MOSFET與IGBT不同，不存在開啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通損耗。而Si-MOSFET在150℃時導(dǎo)通電阻上升為室溫條件下的2倍以上，與Si-MOSFET不同，SiC-MOSFET的上升率比較低，因此易于熱設(shè)計，且高溫下的導(dǎo)通電阻也很低。

d、驅(qū)動門極電壓和導(dǎo)通電阻

SiC-MOSFET的漂移層阻抗比Si-MOSFET低，但是另一方面，按照現(xiàn)在的技術(shù)水平，SiC-MOSFET的MOS溝道部分的遷移率比較低，所以溝道部的阻抗比Si器件要高。因此，越高的門極電壓，可以得到越低的導(dǎo)通電阻(Vgs=20V以上則逐漸飽和)。