今天我們來聊了聊有關(guān)碳化硅作為高壓低損耗的功率半導(dǎo)體器件材料的潛力

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功率器件要求

功率半導(dǎo)體器件作為功率變換系統(tǒng)的核心器件，目前應(yīng)用最多的仍舊是 IGBT，在很多時(shí)候還需要搭配合適的反向并聯(lián)二極管。任何情況下，功率器件都是在"導(dǎo)通"和"截止"兩個(gè)狀態(tài)之間切換，類似于集成電路中的邏輯器件，通過切換來達(dá)到電力轉(zhuǎn)換的需求，切換頻率一般在 1kHz~100kHz 的范圍內(nèi)。

在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，比如說逆變電路，我們都希望開關(guān)器件的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)下都是理想的，即導(dǎo)通狀態(tài)下電壓為零;在截止?fàn)顟B(tài)下，漏電流為零(擊穿電壓無限大)。這顯然是不可能的，實(shí)際的器件表現(xiàn)出有限的電阻和有限的漏電流(以及擊穿電壓存在最大值的限制)，這也是導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗的主要原因。另外，在開關(guān)的過程中的瞬態(tài)行為都會(huì)存在開關(guān)損耗。

下圖是開關(guān)器件以及二極管的理想狀態(tài)和實(shí)際狀態(tài)的對(duì)比圖：

現(xiàn)實(shí)與理想的差異，對(duì)于功率器件的主要要求包括：

?低導(dǎo)通電壓(低導(dǎo)通電阻)

?低漏電流

?能夠以最小的電流 / 電壓進(jìn)行快速切換

這些與導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗和開關(guān)損耗有著直接的關(guān)系。除此之外，

?較大的安全工作區(qū)域(魯棒性)和可靠性也是極為重要!

而在這些方面，SiC 表現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?

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電場(chǎng)強(qiáng)度、導(dǎo)通電阻

下圖是相同擊穿電壓下 SiC 和 Si 的單側(cè)突變結(jié)中的電場(chǎng)分布：

可見，SiC 的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是 Si 的 10 倍左右，所以 SiC 功率器件中的電壓阻擋層的厚度可以是 Si 器件中的 1/10。并且其摻雜濃度也可以高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在任何給定的阻斷電壓下，SiC 代替 Si 的單極器件中可以將漂移層的電阻降低 2~3 個(gè)數(shù)量級(jí)。

這一特點(diǎn)對(duì)于高壓場(chǎng)合顯得尤為重要，漂移層電阻 Rdrift 與阻斷電壓 VB 的(2~2.5,這個(gè)系數(shù)需要綜合考慮來確定)成比例，并且也是覺得器件總導(dǎo)通電阻 Ron 的主要因素。

沒有內(nèi)置電壓的功率器件的導(dǎo)通損耗 Pon，由 Ron*J2on 決定，其中 Jon 是導(dǎo)通電流密度(在額定電流下一般為 100~300A/cm2)。因此，SiC 器件極低的抗漂移性有助于降低導(dǎo)通損耗。

下圖是 Si 和 SiC 單極器件的最小導(dǎo)通電阻(漂移層電阻)相對(duì)于阻斷電壓的曲線：

最小導(dǎo)通電阻我們可以由下式得出：

Rdrift=4VB2/(ηεμEB3)

其中，ε、μ和 EB 分別是介電常數(shù)、遷移率和擊穿場(chǎng)強(qiáng);η是室溫下?lián)诫s劑的電離率(“2 次方”是上文提到的系數(shù))。

在輕摻雜的 n 型 SiC 中，由于氮供體相對(duì)較淺，η約為 0.85~1.0。這對(duì)于寬帶隙半導(dǎo)體尤為重要，在寬帶隙半導(dǎo)體中經(jīng)常會(huì)觀察到摻雜劑的不完全電離，實(shí)際上，由于室溫下鋁受體的空穴遷移率較低并且離子化率小，所以 p 型 SiC 肖特基二極管和功率 MOS 無法與 Si 基競(jìng)爭(zhēng)。

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"快速"切換

SiC 功率器件的另一個(gè)重要特點(diǎn)就是快速切換，反向恢復(fù)小，能夠滿足更高的頻率。中高壓應(yīng)用中，Si 基的雙極型器件通過少數(shù)載流子的注入，電導(dǎo)率調(diào)制能夠顯著的降低導(dǎo)通電阻。但是，雙極型器件存在少數(shù)載流子存儲(chǔ)的原因，導(dǎo)致開關(guān)速度較慢以及關(guān)斷操作中的反向恢復(fù)大。而，這些應(yīng)用中，SiC 單極器件由于導(dǎo)通電阻很低并且不存在少數(shù)載流子存儲(chǔ)，可以成為較理想的選擇。SiC 雙極型器件也可以提供快速切換，因?yàn)殡妷鹤钃鯀^(qū)的厚度薄了約 10 倍(上面提到過)，與 Si 的雙極型器件相比，該區(qū)域中存儲(chǔ)的電荷相應(yīng)地小了約 10 倍。

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高結(jié)溫和工藝技術(shù)

由于帶隙寬和化學(xué)穩(wěn)定性，使用 SiC 器件的設(shè)備可以在高溫(>250℃)下運(yùn)行，這一點(diǎn)在當(dāng)下的應(yīng)用中無疑十分吸引人，更高的溫度上限可以優(yōu)化散熱裝置，而 SiC 器件本身甚至可以在 500℃或更高的溫度下運(yùn)行。

而封裝技術(shù)是 SiC 功率器件發(fā)展的另一個(gè)重要問題。

比如，由于摻雜劑在 SiC 中極小的擴(kuò)散常數(shù)，通過擴(kuò)散工藝進(jìn)行雜質(zhì)摻雜很難實(shí)現(xiàn)，所以一般通過外延生長(zhǎng)或者離子注入來進(jìn)行摻雜;

在 SiC 中，即使在高溫活化退火之后，高密度的深能級(jí)和擴(kuò)展的缺陷仍保留在離子注入?yún)^(qū)以及注入尾部?jī)?nèi)，這導(dǎo)致注入結(jié)附近的載流子壽命很短(<0.1us)，這不利于雙極型器件，所以有效的載流子注入和擴(kuò)散是必不可少的。

所以，SiC 雙極型器件中的 pn 結(jié)僅通過外延生長(zhǎng)來制造，但是對(duì)于制造 SBD 和 MOSFET 之類的 SiC 單極器件，由于其通過注入結(jié)可以獲得幾乎理想的擊穿特性，并且單極器件的正常工作中并不涉及載流子注入，所以離子注入比較有用。

(摻雜等可以查看之前的推送)

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更高的電壓等級(jí)

下圖是 Si 基和 SiC 基的單極 / 雙極型功率器件的電壓等級(jí)分布：

對(duì)于 Si 基功率器件，單極和雙極器件的分界線在 300~600V，而在 SiC 功率器件中，這個(gè)邊界向后移動(dòng)了大約 10 倍的阻斷電壓，即幾 kV。預(yù)計(jì) SiC 將在 300V~6500V 的阻斷電壓范圍內(nèi)替代 Si 的雙極型器件，并且 SiC 的雙極型器件在 10kV 以上的超高壓應(yīng)用中也是"魅"不可擋。

可見，SiC 的發(fā)展不僅在于其本身的特性，還在于外部因素的適配。當(dāng)然，隨著時(shí)間的推移，這些都將會(huì)逐一解決!