SiC和Si的应用 各种SiC功率器件的特性

SiC器件新兴技术

在当今的现代社会，由于加热、机器人、电动/混合动力汽车、电力传输等应用的增加，对基于功率、设备的需求正在上升。由于这些因素，提高高电压和低损耗的功率型器件对于提供高性能和低成本的创新电网应用非常关键。

随着MOSFET和IGBT的发明，硅基功率开关器件使系统能够以更高的效率实现更大的输出。

最近的研究表明，碳化硅（SiC）器件是一种新兴的技术，具有传统硅所缺乏的多种特性。SiC具有比Si更宽的带隙，允许更高的电压阻断，并使其适用于高功率和高电压应用。此外，SiC还具有比Si更低的热阻，这意味着它可以更有效地散热，具有更高的可靠性。

SiC相对于Si的特点和优势

SiC的主要优势是其宽带隙，比硅大三倍。SiC的宽带隙意味着它能比硅阻挡更大的电压，使它适合用于高压电力电子。SiC的高击穿电压使其成为高功率应用的理想选择，如高压电源逆变器和转换器。除了宽带隙之外，SiC还具有低热阻，这使它能够更有效地散热。这使它成为高温应用的理想选择，因为热量管理是一个关键问题。SiC的低热阻可以帮助减少功率损失，提高电力系统的效率。

图1：电场分布示意图

上图说明了SiC和Si在相同击穿电压下的单侧突变结的电场分布。

考虑到Sic的击穿电压比Si高10倍，SiC功率器件的电压阻断层的宽度为1/10，与Si的同类器件相比，掺杂浓度应增加两个数量级。具有最小反向恢复的快速开关（也称为低反向恢复电荷）是SiC功率器件的一个重要特征，在电力电子应用中具有显著的好处。

在传统的电力电子应用中，双极性功率器件，如PiN二极管、IGBT、双极结晶体管和晶闸管，由于能够通过少数载流子注入的电导率调制来降低高导通电阻，因此被普遍使用。然而，这种双极设计也导致了少数载流子的存储，导致开关速度慢和关断操作中的大反向恢复。

SiC单极器件，如肖特基势垒二极管（SBD）和场效应管，为这些应用提供了一个更好的解决方案。这些器件即使在没有电导率调制的情况下也具有较低的导通电阻，而且它们表现出快速的开关速度和最小的反向恢复，使它们成为中压和高压应用的理想选择。

下图显示了SiC和Si的单极和双极功率器件在额定阻断电压方面的主要应用。图2显示了SiC器件将如何在300V到更高电压的范围内取代Si器件。

图2：SiC和Si的应用

SiC器件的运行

1、材料开发

SiC的研究和开发最初是由于需要拥有块状和外延生长技术，以实现长期的操作和生产方面的经济效益。

与硅不同，SiC在大气压力下不会熔化，因此必须通过升华法在2200℃以上的极高温度下生长。随着生长系统中温度梯度控制的改进和硅片技术的进步，现在可以随时获得直径为4英寸、质量可接受的单晶SiC硅片。典型的生长温度为1600℃，生长速度为10至50微米/小时。生长过程中的高氮污染问题已经通过增加所用气体中的C/Si比例或通过使用低压化学气相沉积（CVD）得到解决。

2、工艺开发

SiC中杂质的低扩散常数使得扩散法不适合用于杂质掺杂。因此，离子植入和生长过程中的原位掺杂是用于制造SiC器件的唯一技术。离子植入SiC的最显著方面是在极高温度下的植入后退火。植入后退火所需的高温使离子植入成为SiC器件制造的最初步骤。尽管受到高温退火的影响，植入的原子经历了非常少的扩散。

各种SiC功率器件的特性

1、SiC功率二极管

带有肖特基触点的功率二极管旨在最大限度地减少反向漏电流，并降低正向压降，使其适用于高功率应用。通过在靠近肖特基触点边缘的地方形成一个p型区域，抑制了场拥挤效应，导致了更低的电阻和更高的载流能力。

图3：SiC与金属n型高度形成的功函数

图3显示了屏障高度是如何在1.0 eV到2.2 eV的范围内控制的。

600-1700V肖特基势垒二极管的理想高度约为1.1-1.2eV。这些二极管最适合用于高频功率转换设备，如开关电源设备。

2、SiC 功率开关器件

MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种功率开关器件，通常用于各种应用，包括大功率转换、电机控制和开关电源。

图4：SiC功率器件的特定

导通电阻与阻断电压的关系

图4描述了SiC功率器件及其导通电阻与阻断电压。

当涉及到JFET时，只有一个pn结，没有任何氧化物可靠性问题。为了抑制电场对沟道区域的渗透，埋入式p门的结构是至关重要的。与硅相比，SiC功率MOSFET的性能更优越，因为SiC的高击穿极限导致了高阻抗水平。

此外，沟槽MOSFET是另一种具有高堆积密度单元的功率器件。它们具有较高的沟道迁移率水平，这在高频开关期间是很有用的。

结论

基于碳化硅（SiC）的器件在高电压、低损耗功率器件的电路运行方面显示出更大的电路弹性。与其前身硅（Si）相比，SiC作为一种材料具有很好的电气特性，在高功率开关应用中具有更高的效率。

随着进一步的研究和开发，由于SiC的长期可靠性，SiC电源系统有能力被集成到各种高温下的功率转换器/逆变器中。

编辑：黄飞