SiC器件是一種新型的硅基 MOSFET,特別是 SiC功率器件具有更高的開關(guān)速度和更寬的輸出頻率?SiC功率芯片主要由 MOSFET和 PN結(jié)組成?

在眾多半導(dǎo)體器件中,碳化硅材料具有低熱導(dǎo)率?高擊穿電場?高電子飽和漂移速度和高電子遷移率等優(yōu)異特性,因此碳化硅半導(dǎo)體器件是目前綜合性能最好的半導(dǎo)體器件之一?

碳化硅器件因其優(yōu)越的電學(xué)特性在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但要使其具備商用價(jià)值,則必須解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問題:

•低導(dǎo)通電阻:在同樣功率下的碳化硅場效應(yīng)晶體管比同等尺寸的硅器件小約一半;

•低噪聲:由于碳化硅場效應(yīng)晶體管的高頻噪聲比傳統(tǒng)硅低2個(gè)數(shù)量級,因此能夠滿足未來更高分辨率和更小尺寸對超高分辨率和更高頻率要求?

•超高耐壓能力:在相同條件下,碳化硅晶體管可承受更高的電壓波動(dòng)范圍;

•高效散熱設(shè)計(jì)原則:當(dāng)工作在高溫或高頻時(shí),碳化硅場效應(yīng)器件散熱能力最強(qiáng);

碳化硅半導(dǎo)體器件的介紹

碳化硅(SiC)半導(dǎo)體是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料,其禁帶寬度可達(dá)3.18 eV,而 Si和 Ge的禁帶寬度分別為3.4 eV和2.7 eV,因此相比 Si材料具有更高的擊穿電壓?

目前被廣泛應(yīng)用于電力電子器件的硅?鍺?氮化鎵?碳化硅等三種材料屬于第一代寬禁帶半導(dǎo)體材料,目前它們的發(fā)展還不夠成熟,在高頻功率器件,高壓大電流場合等應(yīng)用中具有很大優(yōu)勢?

而隨著國家新能源政策導(dǎo)向下對光伏發(fā)電的大力支持以及碳化硅的優(yōu)勢日益明顯,碳化硅半導(dǎo)體器件受到了越來越多科技工作者和企業(yè)人士的關(guān)注?

在碳化硅基半導(dǎo)體器件的發(fā)展過程中,由于工藝技術(shù)方面還存在著諸多問題需要進(jìn)一步完善?

其中主要包括:高溫?高壓技術(shù)方面,碳化硅基晶體管在高溫與高壓條件下會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力;

低溫絕緣性問題主要是因?yàn)槠潆娮舆w移率與溫度關(guān)系較為復(fù)雜;

而為了解決這些問題,目前業(yè)界已經(jīng)研發(fā)出了多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品?

一?耐壓

碳化硅基半導(dǎo)體器件是高頻開關(guān)器件,其工作電壓在25~500V之間,因此需要在耐壓方面有較高的要求?

隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展,傳統(tǒng)Si MOSFET已逐漸被碳化硅(SiC) MOSFET所取代?由于 SiC基 MOSFET具有更高的耐壓能力,使得 SiC基功率半導(dǎo)體器件成為高壓?高頻開關(guān)器件的主流方案?

碳化硅半導(dǎo)體是一種理想的寬禁帶半導(dǎo)體材料,擁有優(yōu)良的高溫性能和熱穩(wěn)定性,同時(shí)具有耐高電壓?耐高溫以及高熱導(dǎo)率等特性,因此被廣泛應(yīng)用于高壓開關(guān)?大功率電源?電力電子器件等領(lǐng)域?

碳化硅半導(dǎo)體器件具備耐高壓性能是因?yàn)樗诟邷叵履軌驅(qū)崿F(xiàn)高電子遷移率,在高頻下能夠有效降低熱損耗以及提高轉(zhuǎn)換效率?

由于 SiC具有高熱導(dǎo)率和寬禁帶特性,因此在高壓下實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率將成為 SiC基 MOS功率半導(dǎo)體器件的一個(gè)重要發(fā)展方向?

二?漏電流

SiC的熱傳導(dǎo)系數(shù)高,因而能夠降低器件的熱阻?隨著頻率的增加,其熱阻將會(huì)上升?但是這并不意味著 SiC就不需要散熱系統(tǒng),如果沒有特殊的散熱系統(tǒng), SiC也能工作在較高頻率的環(huán)境中:

(4)采用金屬接觸技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)降低熱阻,但會(huì)增加器件功耗?

碳化硅具有優(yōu)良的高頻特性,其工作頻率超過100 kHz?目前主要采用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)或者場效應(yīng)晶體管(FET)來實(shí)現(xiàn)低損耗?高耐壓能力?

三?開關(guān)速度

與 Si器件相比,碳化硅基晶體管具有更高的擊穿電壓和比功率?

SiC基場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通電壓低于 Si基場效應(yīng)管,但開關(guān)速度較快,可達(dá)到200 ns?

[SiC與 SiC基半導(dǎo)體器件相比,其熱性能(尤其是開關(guān)性能)和電性能都很低,因此對熱循環(huán)要求不高?

[對于在高溫高壓下工作的碳化硅器件來說,這一點(diǎn)尤為重要?

為了提高器件的抗高溫高壓能力,可以采用多種方法?

1.采用具有耐腐蝕?耐熱?絕緣性能好的單晶材料;

2.通過優(yōu)化摻雜工藝可以提高導(dǎo)電率;3.改變摻雜濃度可提高器件的擊穿電壓;4.通過調(diào)整 SiC的摻雜濃度來滿足不同電流等級場合對耐高溫和耐壓能力的要求?

四?工作溫度

目前,碳化硅基器件的工作溫度主要集中在600℃-1200℃之間?

雖然碳化硅具有耐高溫的特點(diǎn),但是其高溫下器件性能也會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降?

因此,碳化硅基器件在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性仍需要進(jìn)一步研究,尤其是耐熱型器件?

(2)在高溫條件下,器件表面易產(chǎn)生熱阻?

碳化硅基薄膜晶體管可以實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍內(nèi)的高功率密度封裝?

但在600℃以下時(shí),器件絕緣性能會(huì)下降,需要添加保護(hù)電路以降低絕緣溫度;但隨著材料中摻雜濃度減小,則材料結(jié)構(gòu)變化較小;同時(shí)碳化硅基晶體管可達(dá)到2 eV以下的低溫截止電壓?

由于其耐高壓和耐熱性好?耐高溫等特點(diǎn),碳化硅基產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于功率放大器等高電壓和高頻領(lǐng)域?

五?開關(guān)頻率和動(dòng)態(tài)范圍

由于碳化硅基半導(dǎo)體器件擁有更高的擊穿電壓和更高的熱導(dǎo)率,因此,碳化硅電子器件可以承受更高的工作頻率,在高頻?高溫條件下應(yīng)用時(shí)可減少熱應(yīng)力對其可靠性的影響?

碳化硅基半導(dǎo)體器件開關(guān)速度快,在高頻應(yīng)用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)由于動(dòng)態(tài)范圍低而導(dǎo)致信號抖動(dòng)的現(xiàn)象?

通過采用不同技術(shù)方法,可以有效提高碳化硅半導(dǎo)體器件在高頻?高壓?大電流條件下的性能?

目前業(yè)界對碳化硅半導(dǎo)體器件進(jìn)行了多種封裝形式并通過仿真和測試對碳化硅器件在高溫和高壓情況下性能進(jìn)行研究?

其中有:采用 SiC陶瓷基基板(如 Baseline? NCVD等)與碳化硅基體材料(如Incoloy-N和Si0-Bi)組成的疊層結(jié)構(gòu),將 SiC疊層電極封裝在襯底上并與之形成共形結(jié)構(gòu)?這種封裝結(jié)構(gòu)可以有效降低了器件本身熱膨脹系數(shù),使得碳化硅晶體管具有更高的開關(guān)頻率?

六?反向恢復(fù)時(shí)間

反向恢復(fù)時(shí)間指在反向偏置時(shí),半導(dǎo)體器件由零漂移到接近零漂移的轉(zhuǎn)換時(shí)間?

反向恢復(fù)時(shí)間取決于材料和工藝,目前比較常用的是 SiC MOSFET的反向恢復(fù)時(shí)間?反向恢復(fù)時(shí)間越短,則電流容量就越大?

一般情況下,當(dāng)二極管在工作時(shí)的最高溫度高于臨界溫度(或擊穿溫度),半導(dǎo)體器件就會(huì)產(chǎn)生明顯的熱應(yīng)力,導(dǎo)致器件失效?因此,需要對器件工作時(shí)的最高溫度和臨界溫度進(jìn)行預(yù)測?

目前業(yè)界使用一種方法來對器件的反向恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測:利用一系列參數(shù)對器件在不同工作條件下發(fā)生擊穿時(shí)所需要的正向恢復(fù)時(shí)間和反向性進(jìn)行比較,從而實(shí)現(xiàn)反向恢復(fù)時(shí)間預(yù)測?

七?尺寸和成本問題

碳化硅器件的尺寸大小對成本影響較大?根據(jù)目前 SiC器件產(chǎn)品的技術(shù)水平,其成本可能比硅器件低30%到50%,但是從長遠(yuǎn)來看,隨著尺寸的增大,其成本還會(huì)進(jìn)一步增加?

如果在同一工藝水平下用相同尺寸的器件制作碳化硅功率管和二極管,則所需的設(shè)備投資和材料成本都比較高?因?yàn)橛孟嗤叽绲牧喜煌墓β使?如 IGBT)可以實(shí)現(xiàn)同樣的功率輸出能力?

目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)了一些采用碳化硅進(jìn)行生產(chǎn)的公司:

但是由于碳化硅基半導(dǎo)體材料本身在高溫?高壓下就容易產(chǎn)生熱應(yīng)力,因此采用碳化硅進(jìn)行生產(chǎn)工藝復(fù)雜且成本較高?

目前國內(nèi)僅有少數(shù)企業(yè)能夠自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)碳化硅基功率管和二極管產(chǎn)品?

君芯-MOS