什么是碳化硅SiC？

近年來，使用“功率元器件”或“功率半導體”等說法，以大功率低損耗為目的二極管和晶體管等分立（分立半導體）元器件備受矚目。這是因為，為了應對全球共通的“節能化”和“小型化”課題，需要高效率高性能的功率元器件。

然而，最近經常聽到的“功率元器件”，具體來說是基于什么定義來分類的呢？恐怕是沒有一個明確的分類的，但是，可按以高電壓大功率的AC/DC轉換和功率轉換為目的的二極管和MOSFET，以及作為電源輸出段的功率模塊等來分類等等。

SiC（碳化硅）是一種由硅（Si）和碳（C）構成的化合物半導體材料。表1-1列出了各種半導體材料的電氣特征，SiC的優點不僅在于其絕緣擊穿場強（Breakdown Field）是Si的10倍，帶隙（Energy Gap）是Si的3倍，而且在器件制造時可以在較寬的范圍內實現必要的P型、N型控制，所以被認為是一種超越Si極限的用于制造功率器件的材料。SiC存在各種多型體（結晶多系），它們的物性值也各不相同。最適合于制造功率器件的是4H-SiC，現在4inch～6inch的單晶晶圓已經實現了量產。

為什么要發展碳化硅?

第一代元素半導體材料：如硅（Si）和鍺(Ge)；

第二代化合物半導體材料：如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等；

第三代寬禁帶材料：如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等。

第三代半導體材料又稱寬禁帶半導體材料，和傳統硅材料的主要區別在禁帶寬度上。具體來說，禁帶寬度是判斷一種半導體材料擊穿電壓高低的重要標志，禁帶寬度值越大，則這種材料做成器件耐高壓的能力越強。除了更耐高壓，碳化硅基功率器件在開關頻率、散熱能力和損耗等指標上也遠遠好于硅基器件。此外碳化硅材料能夠把器件體積做的越來越小，能量密度越來越大，這也是全球主要的半導體巨頭都在不斷研發碳化硅器件的重要原因。

碳化硅的特性！

SiC的絕緣擊穿場強是Si的10倍，因此與Si器件相比，能夠以更高的摻雜濃度并且膜厚更薄的漂移層制作出600V～數千V的高壓功率器件。高壓功率器件的電阻成分主要由該漂移層的電阻所組成，因此使用SiC材料可以實現單位面積導通電阻非常低的高壓器件。理論上當耐壓相等時，SiC在單位面積下的漂移層電阻可以降低到Si的1/300。對于Si材料來說，為了改善由于器件

高壓化所帶來的導通電阻增大的問題，主要使用例如IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣柵極雙極型晶體管）等少數載流子器件（雙極型器件），但是卻存在開關損耗較大的問題，其結果是所產生的發熱問題限制了IGBT的高頻驅動應用。SiC材料能夠以具有快速器件結構特征的多數載流子器件（肖特基勢壘二極管和MOSFET）實現高壓化，因此可以同時實現“高耐壓”、“低導通電阻”、“高頻”這三個特性。另外，SiC的帶隙較寬、大約是Si的3倍，因此能夠實現在高溫條件下也可以穩定工作的功率器件（目前由于受到封裝的耐熱

可靠性的制約，只保證到150℃～175℃，但是隨著封裝技術的發展，將來也可能達到200℃以上的保證溫度）。

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審核編輯：黃飛

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