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(jié)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(jīng)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(yōu)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(nèi)實現(xiàn)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(xiàn)在 4inch～6inch 的單晶晶圓已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)。

為什么要發(fā)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(tǒng)硅材料的主要區(qū)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(fā)碳化硅器件的重要原因。

②彎道超車已有先例：在傳統(tǒng) IGBT 領域，英飛凌占據(jù)了絕對優(yōu)勢。但由于英飛凌未向上游布局碳化硅襯底生產(chǎn)環(huán)節(jié)布局，其碳化硅 MOSFET 開發(fā)進度明顯落后于科銳、羅姆公司，在碳化硅器件需求大增背景下，科銳彎道超車成了碳化硅功率器件第一，且碳化硅器件有取代IGBT的趨勢，有些專家紀要提出新能源汽車高續(xù)航需800V必須用碳化硅，充電效率可翻倍，目前400V還可用IGBT。國內(nèi)企業(yè)也是抓緊了布局碳化硅襯底，上市公司已計劃真金白銀砸了數(shù)百億。

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(shù)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(xiàn)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(shù)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(chǎn)生的發(fā)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(shù)載流子器件（肖特基勢壘二極管和 MOSFET）實現(xiàn)高壓化，因此可以同時實現(xiàn)“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(xiàn)在高溫條件下也可以穩(wěn)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(fā)展，將來也可能達到 200℃以上的保證溫度）。