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SiC功率元器件

何谓SiC(碳化硅)?

何谓碳化硅

碳化硅(SiC)是比较新的半导体材料。一开始,我们先来了解一下它的物理特性和特征。

SiC的物理特性和特征

SiC是由硅(Si)和碳(C)组成的化合物半导体材料。其结合力非常强,在热、化学、机械方面都非常稳定。SiC存在各种多型体(多晶型体),它们的物理特性值各有不同。4H-SiC最适用于功率元器件。下表为Si和近几年经常听到的半导体材料的比较。

SiC_0-1_tab
SiC_0-1_sic
3英寸4H-SiC晶圆

表中黄色高亮部分是Si与SiC的比较。蓝色部分是用于功率元器件时的重要参数。如数值所示,SiC的这些参数颇具优势。另外,与其他新材料不同,它的一大特征是元器件制造所需的p型、n型控制范围很广,这点与Si相同。基于这些优势,SiC作为超越Si限制的功率元器件用材料备受期待。

  • Si和C是1对1的比例结合的Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体
  • 以Si和C的原子对为单元层的最密堆积构造
  • 存在各种多型体,且4H-SiC最适用于功率元器件
  • 结合力非常强 ⇒ 热、化学、机械方面稳定
    • 热稳定性 :常压状态下无液层,2000℃升华
    • 机械稳定性:莫氏硬度(9.3),可以媲美钻石(10)
    • 化学稳定性 :对大部分酸和碱具有惰性

SiC功率元器件的特征

SiC比Si的绝缘击穿场强高约10倍,可耐600V~数千V的高压。此时,与Si元器件相比,可提高杂质浓度,且可使膜厚的漂移层变薄。高耐压功率元器件的电阻成分大多是漂移层的电阻,阻值与漂移层的厚度成比例增加。因为SiC的漂移层可以变薄,所以可制作单位面积的导通电阻非常低的高耐压元器件。理论上,只要耐压相同,与Si相比,SiC的单位面积漂移层电阻可低至1/300。

Si 功率元器件为改善高耐压化产生的导通电阻増大问题,主要使用IGBT(绝缘栅极双极晶体管)等少数载流子元器件(双极元器件)。但因为开关损耗大而具有发热问题,实现高频驱动存在界限。由于SiC能使肖特基势垒二极管和MOSFET等高速多数载流子元器件的耐压更高,因此能够同时实现 “高耐压”、“低导通电阻”、“高速”。

此时,带隙是Si的约3倍,能够在更高温度下工作。现在,受封装耐热性的制约可保证150℃~175℃的工作温度,但随着封装技术的发展将能达到200℃以上。

以上简略介绍了一些要点,对于没有物理特性和工艺基础的人来说可能有些难,但请放心,即使不理解上述内容也能使用SiC功率元器件。

关键要点:

・SiC的物理特性适用于功率元器件。

・与Si半导体相比,具有更优异的降低损耗和能在高温度环境下工作的特性。