來源：凌銳半導體

SiC MOS憑借其性能優勢為越來越多的行業，如儲能，充電樁，光伏逆變器所采用。特別是在采用800V電池系統的新能源車中1200V SiC MOS是主驅逆變器和車載充電的最佳選擇。本文通過對比Si，4H-SiC和GaN的材料特性，系統的闡述SiC MOS卓越性能的材料本源。

參見圖一對于平面MOS來說其導通電阻主要由三部分組成，即溝道電阻（Rch）, 器件外延層電阻 （Repi）和襯底電阻Rsub。其中器件外延層電阻和器件耐壓有著強相關的關系。表一列出30V，100V和600V Si 平面MOS Rch，Repi和Rsub的相對貢獻。針對30V MOS Rch，Repi和Rsub三者各自占比在30%-35%之間。隨著器件耐壓增加，器件外延層厚度需要增加與此同時需要降低外延層的摻雜濃度，從而使得器件能承受目標耐壓；這導致器件外延層電阻貢獻顯著增加。以600V Si平面MOS為例，外延層電阻Repi對整個器件的電阻貢獻達到96%。因此如何優化器件減少導通電阻一直是Si基功率器件發展的主旋律之一。

針對300V以下的Si MOS，工業界首先商業化Si 溝槽型MOS (Si Trench MOS) 用來降低器件的導通電阻，在此基礎上行業進一步開發出Si SGT MOS (Si Shield Gate Trench MOS) 來進一步降低導通電阻和開關損耗。目前業界300V以下的高性能MOS基本為Si SGT MOS。針對500V – 950V的功率器件，陳星弼院士提出的超級結MOS （SJ MOS）為英飛凌以CoolMOS品牌發揚光大且相應技術平臺已經發展到第八代。Si SJ MOS 能顯著降低器件的開關損耗和導通損耗，已廣泛應用在服務器電源，通訊電源，和PC電源等各類電源應用中。與此同時采用IGBT結構的功率器件在500V - 950V電壓段也有自己的一席之地。相對 Si SJ MOS, Si IGBT開關損耗大但成本低，主要用在低頻類（電機）應用中。隨著IGBT 技術的不斷演進，Si IGBT的開關損耗得到顯著的改進，已逐步滲透進入OBC，充電樁等高效率電源類應用。針對1200V - 6500V電壓等級的功率器件，采用IGBT結構是Si 基功率器件的第一選擇。

采用4H-SiC作為制造功率器件的材料則徹底打破了這種格局，4H-SiC相對Si的特有材料屬性使得SiC MOS成為新型功率器件的最佳選擇之一。表二對比了Si, 4H-SiC和 GaN的材料特性，相對于GaN，4-SiC的最大優勢是：在4H-SiC上可以直接通過熱氧化（thermal oxidation）生長SiO2（優勢一）和散熱能力強（優勢二）。優勢一使得用SiC作為材料制造MOS結構的功率器件成為可能，且制造SiC MOS所用工藝可以和現有大部分Si工藝相兼容。SiC 散熱能力 (熱導率) 是Si和GaN的3.3和2.5倍左右（優勢二），這讓SiC 功率器件特別較適合大功率應用。4H-SiC電子漂移飽和速度Vsat為Si材料的2.2倍，讓SiC器件可以更快進行開關，且在同樣時間內流過單位面積的電流更多，從而顯著降低導通電阻。

4H-SiC相對于Si材料的另外兩大優勢為：Ec和Eg 分別是Si的9.3和2.9倍。這兩大優勢讓SiC MOS 特別適合高功率，高溫和高頻應用。本文以下篇幅重點介紹Eg和Ec對功率器件的意義和對應用的價值。

Ec對功率器件和應用的價值

參見圖一對于N型MOS來說，其Body為P型摻雜 (P body)，外延層為N型摻雜（N EPI）。P body和N EPI形成MOS體二級管。參見圖二(a) 和 (b)，MOS關閉時P body區域形成很薄的帶負電的耗盡層，N EPI形成帶正電的耗盡層, N EPI區域的耗盡層厚度遠大于P body 區域的耗盡層。PN耗盡層形成的電場分布參見圖二(c)，最大電場介于PN結界面，三角形面積的大小代表器件承受的電壓，最大電場不能超過材料的臨界擊穿電場Ec。由此可見，器件的耐壓基本上由Ec和在器件外延層形成的耗盡層厚度ddepletion決定。根據半導體器件物理，有公式1-3：

在公式（1）-（3）中，q為電子電荷，ε0為真空介電常數εr為材料相對介電常數，un為材料的電子遷移率，Ec為材料的臨界擊穿電場，Vbr為器件耐壓。Si和SiC的相對介電常數比較接近分別為11.8和 9.7-10.2，Si和SiC的電子遷移率分別為1400cm2/Vs和1000-1200cm2/Vs，而SiC 的Ec是硅材料的9.3倍。參見公式（1）和（3），在同樣的器件耐壓下采用SiC做為器件外延層可顯著增加器件外延層的摻雜濃度，與此同時大幅降低器件外延層的厚度。這讓SiC平面MOS相對Si平面MOS和 Si SJ MOS有著顯著的Rsp優勢。

圖三對比了Si平面MOS， Si SJ MOS，和SiC MOS Rsp與器件耐壓的關系。由于SiC材料的Ec特性，采用平面MOS 結構的SiC MOS Rsp性能遠遠優于Si平面MOS和SJ MOS，且SiC MOS性能整體優于Si SJ MOS。以600V/650V MOS為例, 采用SiC MOS方案可以將3-4kW服務器電源整體效率提升至少0.5%。隨著AI的普及，AI服務器是傳統服務器用電量的3倍以上，采用SiC MOS是滿足AI服務器能效要求的最佳選擇。SiC MOS 體二級管的Qrr是Si快恢復系列SJ MOS Qrr 的10% 或更小。這使得SiC MOS體二級管非常皮實（Body diode robustness），可以用在軟開關和硬開關拓撲上。

IGBT關斷時存在拖尾電流，MOS則不存在。由于采用MOS而非IGBT結構，SiC MOS開關性能顯著優于Si IGBT。以1200V SiC MOS和 Si IGBT 來說，SiC MOS的開關損耗相對Si IGBT 可降低近70%, 整體性能提升60%以上。這對實際應用有著具體的經濟價值，如采用SiC MOS作為主驅控制器功率器件，可將整車續航里程提升近10%。在充電樁和儲能應用采用SiC MOS可提升系統效率近2%，整機功率密度提升近30%。

Eg對功率器件和應用的價值

從材料學的角度沒有摻雜的半導體為本征半導體，本征半導體不導電，其本征電子密度和空穴密度（本征載流子密度）相同，且和溫度及材料禁帶寬度有著強相關的關系。本征半導體的電子和空穴濃度（既本征載流子濃度）為：

在公式（4）中，Eg為材料禁帶寬度，C和為常數，[K]表示溫度單位開爾文。當對本征半導體進行N型（或P型）摻雜時，自由電子濃度和自由空穴濃度不再相等，本征半導體變成N型(電子導電)或P型（空穴導電）半導體進行導電。正常工作時載流子濃度為N或P型摻雜濃度（Nd/Na）, 且遠大于材料的本征載流子密度。

任何功率半導體器件都有穩定的工作溫度區間，在這個穩定工作區間內材料的載流子密度為材料的摻雜濃度。半導體器件的穩定工作區間與溫度以及材料禁帶寬度有著強相關的關系。參見圖4(a），在低溫時半導體摻雜原子的電子（空穴）無法得到足夠的能量而離開摻雜原子進行導電；在此情況下自由電子密度和自由空穴密度相同，材料為絕緣體。當溫度足夠高時，摻雜原子失去電子或空穴，載流子密度為摻雜密度。隨著溫度的升高，本征載流子密度增加，在某個溫度范圍內本征載流子密度遠低于材料摻雜密度，本征載流子的貢獻可忽略不計半導體穩定工作。而當溫度足夠高時，本征載流子密度接近或大于摻雜密度，半導體不再能夠穩定工作。

圖4（b）顯示了SiC和Si兩種材料本征載流子密度隨溫度的變化, 由于SiC Eg是Si的2.9倍，這使得SiC材料本征載流子密度在同樣溫度下遠遠低于Si材料的本征載流子密度。在不考慮封裝等外部因素的影響下，N型Si材料在接近400攝氏度時。本征載流子密度已經和摻雜密度接近，器件無法正常工作。而對SIC材料來說，即使是溫度達到1000攝氏度時，本征載流子密度還是遠遠低于材料摻雜濃度，SiC器件還能正常工作。

綜上所述，SiC材料的Ec特性（Ec是Si的9.3倍）使得耐壓等級不低于600V 的SiC平面MOS有著極優的導通電阻，在SiC上能夠熱氧化生長SiO2讓大規模制造基于SiC材料的 MOS成為可能；其Eg特性（Eg是Si的2.9倍）讓SiC MOS 在高溫應用中能穩定工作；而其卓越的導熱特性（導熱率是Si的3.3倍）讓SiC MOS非常適合大功率應用；SiC電子遷移飽和速度特性（Vsat是Si的2.2倍）進一步助力SiC MOS在高頻上的應用，這些材料特性的加持使得SiC MOS在高頻，大功率，和高溫應用中有著得天獨厚的優勢。

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審核編輯 黃宇