SiC： 为何被称为是新一代功率半导体？

时间: 2024-07-14 20:26:36 |   作者: Kaiyun最新官网_产品类型

　　(碳化硅)作为第三代半导体，以耐高压、高温和高频，在高性能功率半导体上显出优势。据厂商罗姆基于IHS的调查显示，2025年整个市场规模将达到约23亿美元。在应用中，在光伏与服务器市场最大，正处于发展中的市场是xEV（电动与混动汽车）。随着

　　不过，制约SiC发展的关键是价格，根本原因有两个：衬底和晶圆尺寸。例如晶圆尺寸越大，成本也会相应地下降，罗姆等公司已有6英寸的晶圆片。在技术方面，众厂商竞争的有两个焦点：技术和原材料。

　　不久前，罗姆半导体（北京）有限公司设计中心所长水原德建先生介绍了SiC的优势及工艺技术。

　　SiC(碳化Si)是以1：1的比例，用Si(Si)和碳(C)生成的化合物。

　　SiC硬度很高。市面上最硬的是钻石，硬度为15，SiC的硬度是13，已接近钻石的硬度。

　　SiC的物理特性。与Si和GaN(氮化镓)相比，如图1。Si是市场上现在用得最多的材料。目前半导体功率元器件中的材料主要是这3种材料。

　　SiC在物理特性上的好处。第一是击穿场强度会更强，因此耐压更高，所以它能做成耐高压的产品。

　　第二是熔点和Si相比会更高一些。这样做才能够耐更高的温度，大约可以耐到Si温度3倍以上。第三个好处是电子饱和速度会更快一些，所以SiC的频率能做得更高。

　　另外还有两个优势：一是热传导性很高，这样冷却更容易去做；再有，禁带宽度更宽，这样可以使工作温度更好做。

　　因此总结起来SiC的五角形优势，从产品本身看，SiC耐高压、高温和高频；另外在设计上，因为SiC耐的温度会更高一些，因此更容易做冷却和散热设计。

　　相比现在流行的Si-MOSFET，SiC最大的好处体现在两方面。第一是击穿场较强，大约是Si的10倍左右，即可以把高压特性做得更好。

　　第二，如图2，在上面的栅极与下面的衬底之间有一个电压隔离区。这个电压隔离区越宽，里面的内阻就会越大。内阻也就是通常说的导通电阻，如果导通电阻越大，能量、功率损耗也会越大。

　　如果采用SiC，可以把电压隔离区做得更薄，因而内阻可以更低，即导通电阻能做到更小。相应地，其能耗会更少。

　　既SiC可以做高压，又可以使它内部的特性做得更好，这是SiC的两个最大好处。

　　二极管主要有几种，诸如肖特基势垒二极管（SBD）、整流二极管（FRD）、快恢复二极管（PND）等。如图3可见，如果用Si材料，用肖特基构造来做，最高大约只能做到250 V。再往上做的话，基本都是靠整流二极管或快恢复二极管了。但是如果用SiC，肖特基构造可以做到约4 kV，之后上面会用整流二极管去做（如图3左）。

　　读者至此可能会产生疑问：为什么一定用肖特基来做呢？PND和FRD有何不好呢？接下来的章节里会介绍这方面的内容。

　　在晶体管部分（如图3右），晶体管Si的产品主要是以功率MOSFET和IGBT这两种产品为主。对于MOSFET，如果Si的特性好，可以做到900 V左右。市场上1.5 kV左右的MOSFET产品也有，但是其特性会变差。这种情况下，如果用SiC来做，现在基本可以做到3.3 kV及以上。

　　Si与SiC的总结如表1。即Si的少子（少数载流子）器件主要有两种：一种是整流管（FRD）和IGBT。它们的最大的好处是耐压特性会更好，但开关特性一般。如果用FRD，恢复特性有一些缺陷。

　　Si的多子器件一般做成功率MOSFET（或超级结MOSFET）。超级结MOSFET的耐压特性虽然不是很强，但是最大的好处是开关损耗少，因此开关特性很好。

　　但是如果是SiC来做的话，二极管可以是肖特基，如果三极管就是MOSFET。这样做才能够看到把上述IGBT的高压特性和超级结的开关特性都变成最好的特性。因此市场上对于SiC产品，除了价格之外，性能上普遍受到认同。

　　如图4，横坐标是频率，纵坐标是功率。从中可见，低频、高压的情况下，Si IGBT最适合。如果稍稍高频，但是电压和功率不是很高的情况下，用SiMOSFET是最好。如果既是高频又是高压的情况下，SiC MOSFET最适合。如果电压不需要很高，功率不需要很大，但是频率需要很高，这种情况下就用氮化镓（GaN）。

　　当然这里的纵坐标是功率（注：其实电压也是一样的）。高电压的时候，IGBT会用得较多，低电压时MOSFET会用得较多，高频的时候氮化镓特性会更好一些，高频和高压时SiC会更好一些。

　　由于SiC的导通电阻能做到更低，因此效率可以提高更多，并把产品尺寸做得更小。可以做成高频，高频器件可以把周边的元器件变小，因此整个模块、产品也可以变小。高温运行的情况下，可以把冷却做得更好，例如以前用很大的散热板，SiC方案可以用水冷或者很小的散热板、很薄的散热片，实现小型化，薄型化，这也是为什么汽车或工控行业用得比较多的原因。

　　例如，一个5 kW左右的DC/DC，原来用IGBT产品来做的情况下，质量要达到将近7 kg左右，体积大约是8升左右。如果把它变成里面都用上SiC，其重量可以降到原来的1/8左右。

　　首先因为FRD是一个PN结构，是“半导体+半导体”，这种结构有一个最大的问题：电流从P流向N之后，一旦切断，从开始到结束，理想状态是自然归零。但是“半导体+半导体”结构一定会有反向恢复，会造成浪费（如图5）。浪费区域越大，损耗越多。

　　由于肖特基不是PN结构，下面是半导体，上面是金属，即“半导体+金属”，理论上不会有反向恢复，但是由于金属也有一些半导体特性，因此实际上还是有一点点，但毕竟比FRD减少了很多，这也是为什么用肖特基的构造取代快恢复的构造：因为反向损耗变得更少，这意味着整个产品的效率更高。

　　当然上述是温度的依存。接下来还有电流依存。因为Si产品会随着电流的增大，损耗越来越多，效率会越来越差。但是从图5可见，SiC的电流基本上没有变化。即SiC SBD取代Si FRD的优势是不受电流的影响，也不受温度的影响。

　　在SiC肖特基制造方面，工艺也很重要。现在市面上SiC肖特基产品有两种构造，一种构造是纯肖特基构造。罗姆公司的第一代和第二代产品使用了纯肖特基的构造。纯肖特基构造的最大好处在哪里？因为肖特基有两个特性，一个是VF，即正向耐压；另一个特性是瞬间的最大电流。所以如果用肖特基构造来做，虽然VF可以做得很低，但是瞬间电流做得不太理想。

　　罗姆公司的第三代产品采用了JBS构造（如图6）。JBS构造的最大好处，虽然它的VF会相应的变差，但是罗姆公司用自己的能力在保证原有的低VF的情况下，把瞬间电流做得更大。由于JBS构造的优势，现在市场上的产品基本都是JBS构造。

　　SiC MOSFET最主要取代Si的IGBT和MOSFET。从图7可以看到，SiC MOSFET最大的好处是开关特性做得更好。如图，IGBT恢复回来时有拖尾电流，所以带来了不必要的能量消耗。用SiC的MOS来做，可以消除拖尾电流。当然这不只是SiC的MOS了，实际上，普通的MOS也基本上能做到这种理想状况，但是普通MOS为什么这里没有提及呢？因为普通MOS还有一个电压不够的原因，例如达不到1.2 kV、1.7 kV。所以在高电压产品中，特性好的话，现在只有SiC MOS这么一种产品。

　　在MOS市场上，现在也有两种结构的产品，第一种是平面型构造MOS，即DMOS，还有一种MOS是沟槽型的构造，即UMOS（注：沟槽长得像U）。

　　两种MOS的最大区别是：平面型构造的耐压能做到很好，但是芯片尺寸要做得很大。但是沟槽式的可以做小，即可以把晶圆尺寸做小一些，因而价格更低一些，同样的芯片情况下，还可以把Ron做得更低一些。

　　为此，罗姆的第一二代产品采用平面型构造，第三代采用了沟槽型的构造。这种沟槽型的构造现在只有罗姆一家在做，其他的竞争对手基本上是以平面型的构造去实现。此外，罗姆的沟槽构造还有一个好处：跟普通的沟槽构造是不一样的，普通Si的沟槽型构造是一个沟槽，但是罗姆挖了两个沟槽（如图8），这是因为MOS有个最大的问题是在栅极耐压会差一些，因为它是个氧化膜，因此在侧面又挖了一个沟槽，使它的电流可以从此跑出去，使其耐压特性更强一些。这种双沟槽的构造是罗姆的一个专利，只罗姆才有。

　　把上述的二极管、三极管集成在一起，可做成模块。用IGBT和用SiC来做的比较如图9。首先可以看得到，SiC的开关损耗比IGBT更低一点。并且随着频率的增高，IGBT模块的损耗增加很快，这在某种程度上预示着在频率越高的情况下，SiC的特性会越发体现出来，可以越节能。

　　（注：本文来源于科技期刊《电子科技类产品世界》2019年第9期第79页，欢迎您写论文时引用，并标注明确出处。）