第三代宽禁带半导体碳化硅功率器件的应用

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。
在众多的半导体器件中，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、高电子迁移率等优异的性能。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。

 

 

碳化硅器件由于其优越的电学性能而被广泛应用于航空航天领域，但要使其具有商业价值，必须解决以下关键问题：
1、低导通电阻：相同功率的碳化硅场效应晶体管比相同尺寸的硅器件小一半左右。
2、低噪音: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，可以满足未来超高分辨率和更高频率对更高分辨率和更小尺寸的要求。
3、超高耐压能力：在同等条件下，碳化硅晶体管可承受更高的电压波动范围。
4、高效散热设计原理：在高温或高频下工作时，碳化硅场效应器件的散热能力最强。

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，因此具有更高的击穿电压。包括目前广泛应用于电力电子器件的硅、锗。目前来看，他们的发展还不够成熟。碳化硅、氮化镓在高频功率器件、高压大电流场合等应用中具有很大的优势。
随着国家新能源政策引导下对光伏发电的大力支持和碳化硅优势的日益明显，碳化硅半导体器件受到了越来越多科技工作者和企业界人士的关注。
碳化硅基半导体器件的研制过程中，工艺技术方面还存在许多问题，需要进一步完善。
这些主要包括：在高温高压技术方面，碳化硅基晶体管在高温高压条件下会产生较大的热应力。
低温绝缘的问题主要是由于电子迁移率与温度的复杂关系造成的。
为了解决这些问题，KeepTops开发了多项相关技术和产品。

1. 耐压性
碳化硅基半导体器件是工作电压在25～500V之间的高频开关器件，因此需要在耐压方面有更高的要求。
随着功率半导体器件的发展，传统的硅MOSFET逐渐被碳化硅MOSFET所取代。由于SiC基MOSFET具有更高的耐电压，SiC基功率半导体器件已成为高压高频开关器件的主流解决方案。
碳化硅半导体是一种理想的宽带隙半导体材料，具有优良的高温性能和热稳定性。还具有耐高压、耐高温、高导热等特点。因此，它被广泛应用于高压开关和大功率电源中，电力电子器件等领域。
碳化硅半导体器件具有耐高压性能，因为它可以在高温下实现高电子迁移率，有效降低热损耗，提高高频下的转换效率。
由于SiC具有高的热导率和宽的禁带特性，在高压下获得高转换效率将成为SiC基MOS功率半导体器件的一个重要发展方向。

2. 漏电流
SiC具有很高的热导率，从而降低了器件的热阻。随着频率的增加，它的热阻也会上升。但这并不意味着SiC不需要散热系统。如果没有专门的散热系统，SiC也可以在更高频率的环境下工作，采用金属接触技术也可以降低热阻，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或场效应管来实现低损耗和耐高压。
 
3. 开关速度
与硅器件相比，碳化硅晶体管具有更高的击穿电压和比功率。
SiC基场效应管的导通电压比Si基场效应管低，但开关速度更快，达到200 ns。  与SiC基半导体器件相比，SiC的热性能（尤其是开关性能）和电性能都很低，因此对热循环没有很高的要求。这对于在高温高压下工作的碳化硅器件尤为重要。
为了提高器件的耐高温、高压能力，可以采用多种方法

使用单晶材料，具有良好的耐腐蚀性、耐热性和绝缘性能。通过优化掺杂工艺可以提高材料的导电性。改变掺杂浓度可以提高器件的击穿电压。通过调整SiC的掺杂浓度来满足不同电流水平下的耐高温和耐电压要求，调整工作温度的方法。

目前，碳化硅基器件的工作温度主要在600°C至1200°C之间。碳化硅虽然具有耐高温的特性，但在高温下器件性能也会有一定程度的下降。因此，碳化硅基器件在高温环境下的稳定性仍需进一步研究，尤其是耐热器件。在高温条件下，器件表面容易产生热阻基于碳化硅的薄膜晶体管能够在很宽的温度范围内实现高功率密度封装。

但低于600°C时，器件的绝缘性能会下降，需要增加保护电路来降低绝缘温度。但是，随着材料中掺杂浓度的降低，材料结构变化较小。同时，基于碳化硅的晶体管可以达到低于2 eV的低温截止电压。碳化硅基材料具有耐高压、耐热性好、耐高温等优点，在功率放大器等高压、高频领域得到了广泛的应用。

 

 

开关频率和动态范围
由于碳化硅基半导体器件具有更高的击穿电压和更高的热导率，碳化硅电子器件可以承受更高的工作频率，在高频和高温条件下使用时可以减少热应力。对可靠性的影响。
碳化硅基半导体器件开关速度快，在高频应用中不会因低动态范围而受到信号抖动的困扰。
通过采用不同的技术方法，可以有效地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实施了多种封装形式，并通过模拟和测试研究了碳化硅器件在高温高压下的性能。
其中有：采用SiC陶瓷衬底（如Baseline、NCVD等）和碳化硅基体材料（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器件本身的热膨胀系数，让碳化硅晶体管具有更高的开关频率。

反向恢复时间是指半导体器件在反向偏置时从零漂移到近零漂移的转换时间。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，电流容量越大
一般来说，当二极管在工作过程中的最高温度高于临界温度（或击穿温度）时，半导体器件会产生显著的热应力，导致器件失效。因此，有必要预测设备运行时的最高温度和临界温度。
业界目前使用一种方法来预测设备的反向恢复时间：使用一系列参数来比较设备在不同操作条件下发生故障时所需的正向恢复时间和可逆性，从而实现反向恢复，恢复时间预测。
碳化硅器件的尺寸对成本的影响较大。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%至50%，但从长远来看，随着尺寸的增大，其成本将进一步增加。
如果用相同尺寸的器件在相同的工艺水平上制造碳化硅功率晶体管和二极管，所需的设备投资和材料成本将相对较高。因为相同尺寸但不同材料（例如IGBT）的功率管可以实现相同的功率输出能力。
市场上已经有一些公司使用碳化硅进行生产。但是，由于碳化硅基半导体材料本身在高温高压下容易产生热应力，使用碳化硅的生产工艺复杂，成本高。  

审核编辑 黄宇