什么是碳化硅器件

SiC器件是一种新型的硅基 MOSFET，特别是 SiC功率器件具有更高的开关速度和更宽的输出频率。SiC功率芯片主要由 MOSFET和 PN结组成。

在众多半导体器件中，碳化硅材料具有低热导率、高击穿电场、高电子饱和漂移速度和高电子迁移率等优异特性，因此碳化硅半导体器件是目前综合性能最好的半导体器件之一。

碳化硅器件因其优越的电学特性在航空航天领域得到广泛应用，但要使其具备商用价值，则必须解决以下几个关键问题：

•低导通电阻：在同样功率下的碳化硅场效应晶体管比同等尺寸的硅器件小约一半；

•低噪声：由于碳化硅场效应晶体管的高频噪声比传统硅低2个数量级，因此能够满足未来更高分辨率和更小尺寸对超高分辨率和更高频率要求。

•超高耐压能力：在相同条件下，碳化硅晶体管可承受更高的电压波动范围；

•高效散热设计原则：当工作在高温或高频时，碳化硅场效应器件散热能力最强；

碳化硅半导体器件的介绍

碳化硅（SiC）半导体是第三代宽禁带半导体材料，其禁带宽度可达3.18 eV，而 Si和 Ge的禁带宽度分别为3.4 eV和2.7 eV，因此相比 Si材料具有更高的击穿电压。

目前被广泛应用于电力电子器件的硅、锗、氮化镓、碳化硅等三种材料属于第一代宽禁带半导体材料，目前它们的发展还不够成熟，在高频功率器件，高压大电流场合等应用中具有很大优势。

而随着国家新能源政策导向下对光伏发电的大力支持以及碳化硅的优势日益明显，碳化硅半导体器件受到了越来越多科技工作者和企业人士的关注。

在碳化硅基半导体器件的发展过程中，由于工艺技术方面还存在着诸多问题需要进一步完善。

其中主要包括：高温、高压技术方面，碳化硅基晶体管在高温与高压条件下会产生较大的热应力；

低温绝缘性问题主要是因为其电子迁移率与温度关系较为复杂；

而为了解决这些问题，目前业界已经研发出了多项相关技术和产品。

一、耐压

碳化硅基半导体器件是高频开关器件，其工作电压在25~500V之间，因此需要在耐压方面有较高的要求。

随着功率半导体器件的发展，传统Si MOSFET已逐渐被碳化硅（SiC） MOSFET所取代。由于 SiC基 MOSFET具有更高的耐压能力，使得 SiC基功率半导体器件成为高压、高频开关器件的主流方案。

碳化硅半导体是一种理想的宽禁带半导体材料，拥有优良的高温性能和热稳定性，同时具有耐高电压、耐高温以及高热导率等特性，因此被广泛应用于高压开关、大功率电源、电力电子器件等领域。

碳化硅半导体器件具备耐高压性能是因为它在高温下能够实现高电子迁移率，在高频下能够有效降低热损耗以及提高转换效率。

由于 SiC具有高热导率和宽禁带特性，因此在高压下实现高转换效率将成为 SiC基 MOS功率半导体器件的一个重要发展方向。

二、漏电流

SiC的热传导系数高，因而能够降低器件的热阻。随着频率的增加，其热阻将会上升。但是这并不意味着 SiC就不需要散热系统，如果没有特殊的散热系统， SiC也能工作在较高频率的环境中：

（4）采用金属接触技术也能实现降低热阻，但会增加器件功耗。

碳化硅具有优良的高频特性，其工作频率超过100 kHz。目前主要采用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或者场效应晶体管（FET）来实现低损耗、高耐压能力。

三、开关速度

与 Si器件相比，碳化硅基晶体管具有更高的击穿电压和比功率。

SiC基场效应晶体管的导通电压低于 Si基场效应管，但开关速度较快，可达到200 ns。

[SiC与 SiC基半导体器件相比，其热性能（尤其是开关性能）和电性能都很低，因此对热循环要求不高。

[对于在高温高压下工作的碳化硅器件来说，这一点尤为重要。

为了提高器件的抗高温高压能力，可以采用多种方法。

1.采用具有耐腐蚀、耐热、绝缘性能好的单晶材料；

2.通过优化掺杂工艺可以提高导电率；3.改变掺杂浓度可提高器件的击穿电压；4.通过调整 SiC的掺杂浓度来满足不同电流等级场合对耐高温和耐压能力的要求。

四、工作温度

目前，碳化硅基器件的工作温度主要集中在600℃-1200℃之间。

虽然碳化硅具有耐高温的特点，但是其高温下器件性能也会出现一定程度的下降。

因此，碳化硅基器件在高温环境下的稳定性仍需要进一步研究，尤其是耐热型器件。

（2）在高温条件下，器件表面易产生热阻。

碳化硅基薄膜晶体管可以实现宽温度范围内的高功率密度封装。

但在600℃以下时，器件绝缘性能会下降，需要添加保护电路以降低绝缘温度；但随着材料中掺杂浓度减小，则材料结构变化较小；同时碳化硅基晶体管可达到2 eV以下的低温截止电压。

由于其耐高压和耐热性好、耐高温等特点，碳化硅基产品已经被广泛应用于功率放大器等高电压和高频领域。

五、开关频率和动态范围

由于碳化硅基半导体器件拥有更高的击穿电压和更高的热导率，因此，碳化硅电子器件可以承受更高的工作频率，在高频、高温条件下应用时可减少热应力对其可靠性的影响。

碳化硅基半导体器件开关速度快，在高频应用时不会出现由于动态范围低而导致信号抖动的现象。

通过采用不同技术方法，可以有效提高碳化硅半导体器件在高频、高压、大电流条件下的性能。

目前业界对碳化硅半导体器件进行了多种封装形式并通过仿真和测试对碳化硅器件在高温和高压情况下性能进行研究。

其中有：采用 SiC陶瓷基基板（如 Baseline、 NCVD等）与碳化硅基体材料（如Incoloy-N和Si0-Bi）组成的叠层结构，将 SiC叠层电极封装在衬底上并与之形成共形结构。这种封装结构可以有效降低了器件本身热膨胀系数，使得碳化硅晶体管具有更高的开关频率。

六、反向恢复时间

反向恢复时间指在反向偏置时，半导体器件由零漂移到接近零漂移的转换时间。

反向恢复时间取决于材料和工艺，目前比较常用的是 SiC MOSFET的反向恢复时间。反向恢复时间越短，则电流容量就越大。

一般情况下，当二极管在工作时的最高温度高于临界温度（或击穿温度），半导体器件就会产生明显的热应力，导致器件失效。因此，需要对器件工作时的最高温度和临界温度进行预测。

目前业界使用一种方法来对器件的反向恢复时间进行预测：利用一系列参数对器件在不同工作条件下发生击穿时所需要的正向恢复时间和反向性进行比较，从而实现反向恢复时间预测。

七、尺寸和成本问题

碳化硅器件的尺寸大小对成本影响较大。根据目前 SiC器件产品的技术水平，其成本可能比硅器件低30%到50%，但是从长远来看，随着尺寸的增大，其成本还会进一步增加。

如果在同一工艺水平下用相同尺寸的器件制作碳化硅功率管和二极管，则所需的设备投资和材料成本都比较高。因为用相同尺寸但材料不同的功率管（如 IGBT）可以实现同样的功率输出能力。

目前市面上已经出现了一些采用碳化硅进行生产的公司：

但是由于碳化硅基半导体材料本身在高温、高压下就容易产生热应力，因此采用碳化硅进行生产工艺复杂且成本较高。

目前国内仅有少数企业能够自主设计生产碳化硅基功率管和二极管产品。