今天我們來聊了聊有關碳化硅作為高壓低損耗的功率半導體器件材料的潛力

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功率器件要求

功率半導體器件作為功率變換系統(tǒng)的核心器件，目前應用最多的仍舊是 IGBT，在很多時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"導通"和"截止"兩個狀態(tài)之間切換，類似于集成電路中的邏輯器件，通過切換來達到電力轉換的需求，切換頻率一般在 1kHz~100kHz 的范圍內(nèi)。

在功率轉換系統(tǒng)中，比如說逆變電路，我們都希望開關器件的導通和截止狀態(tài)下都是理想的，即導通狀態(tài)下電壓為零;在截止狀態(tài)下，漏電流為零(擊穿電壓無限大)。這顯然是不可能的，實際的器件表現(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)，這也是導通損耗和關斷損耗的主要原因。另外，在開關的過程中的瞬態(tài)行為都會存在開關損耗。

下圖是開關器件以及二極管的理想狀態(tài)和實際狀態(tài)的對比圖：

現(xiàn)實與理想的差異，對于功率器件的主要要求包括：

?低導通電壓(低導通電阻)

?低漏電流

?能夠以最小的電流 / 電壓進行快速切換

這些與導通損耗、關斷損耗和開關損耗有著直接的關系。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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電場強度、導通電阻

下圖是相同擊穿電壓下 SiC 和 Si 的單側突變結中的電場分布：

可見，SiC 的擊穿電場強度是 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數(shù)量級，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 個數(shù)量級。

這一特點對于高壓場合顯得尤為重要，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通電阻 Ron 的主要因素。

沒有內(nèi)置電壓的功率器件的導通損耗 Pon，由 Ron*J2on 決定，其中 Jon 是導通電流密度(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通損耗。

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

最小導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)、遷移率和擊穿場強;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，由于氮供體相對較淺，η約為 0.85~1.0。這對于寬帶隙半導體尤為重要，在寬帶隙半導體中經(jīng)常會觀察到摻雜劑的不完全電離，實際上，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 基競爭。

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"快速"切換

SiC 功率器件的另一個重要特點就是快速切換，反向恢復小，能夠滿足更高的頻率。中高壓應用中，Si 基的雙極型器件通過少數(shù)載流子的注入，電導率調(diào)制能夠顯著的降低導通電阻。但是，雙極型器件存在少數(shù)載流子存儲的原因，導致開關速度較慢以及關斷操作中的反向恢復大。而，這些應用中，SiC 單極器件由于導通電阻很低并且不存在少數(shù)載流子存儲，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，因為電壓阻擋區(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)域中存儲的電荷相應地小了約 10 倍。

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高結溫和工藝技術

由于帶隙寬和化學穩(wěn)定性，使用 SiC 器件的設備可以在高溫(>250℃)下運行，這一點在當下的應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℃或更高的溫度下運行。

而封裝技術是 SiC 功率器件發(fā)展的另一個重要問題。

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

在 SiC 中，即使在高溫活化退火之后，高密度的深能級和擴展的缺陷仍保留在離子注入?yún)^(qū)以及注入尾部內(nèi)，這導致注入結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散是必不可少的。

所以，SiC 雙極型器件中的 pn 結僅通過外延生長來制造，但是對于制造 SBD 和 MOSFET 之類的 SiC 單極器件，由于其通過注入結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

下圖是 Si 基和 SiC 基的單極 / 雙極型功率器件的電壓等級分布：

對于 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，這個邊界向后移動了大約 10 倍的阻斷電壓，即幾 kV。預計 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。當然，隨著時間的推移，這些都將會逐一解決!