碳化硅功率器件

碳化硅功率器件

张玉明张义门

西安电子科技大学微电子所（西安 710071）

1 引言[1,2,3]：

目前几乎所以的功率系统中都采用硅器件,毫无疑问成熟的硅工艺技术是硅器件的最大的优势。然而硅器件的功率性能将不会有太大的提高，这是因为硅器件的电特性已接近材料物理特性的极限。首先，硅低的击穿电场意味着在高压工作时需要采用厚的轻掺杂层，这将引起较大的串联电阻，特别时对单极器件尤其如此。为了减少正向压降，电流密度必须保持在很低的值，因此硅器件的大电流是通过增加硅片面积来实现的。在一定的阻断电压下，正向压降由于载流子在轻掺杂区的存储而降低，这种效应称为结高注入的串联电阻调制效应。然而存储电荷的存储和复合需要时间，从而降低了器件的开关速度，增加了瞬态功率损耗。硅器件由于小的禁带宽度而使在较低的温度下就有较高的本征载流子浓度，高的漏电流会造成热击穿，这限制了器件在高温环境和大功率耗散条件下工作。其它限制是硅的热导率较低。

宽禁带半导体材料，由于有比硅更好的性能，而成为下一代功率器件的候选者，如碳化硅、氮化镓和金刚石等，它们可能在温度和阻断电压两方面都突破硅材料性能的限制。一般来说，高的电压能力是由于材料的击穿电场随着禁带宽度变大而增加，而高温能力是由于随着禁带的增加材料的本征载流子浓度减少而得到。理论上的材料的性能可以由材料的优值准确的估算。这些优值都说明宽禁带材料的性能比常规的硅器件提高几个数量级。对功率器件而言宽禁带半导体的优点首先是它具有高的击穿电场，所以对相同阻断电压，相对于硅器件需要薄的掺杂浓度高的漂移层，这使大的正向电流成为可能。宽禁带使在很高的温度时本征载流子浓度都可以忽略。另外宽禁带半导体通常都有高的载流子饱和速度和大的热导率，适合高频和大功率应用。如碳化硅材料，它至少可以将功率能力提供十倍。

限制这些材料发展的主要问题是没有理想的单晶材料（除了砷化镓和几种碳化硅），且工艺制作十分困难。实际上，目前仅有碳化硅功率器件最有可能的进入商业化。本文将从材料特性，器件工艺和特性，以及国内发展情况几个方面介绍碳化硅功率器件的现状。

2 碳化硅材料的性能优势[2,3,4]

已知有170多种同体异型的碳化硅，但仅有4H和6H两种碳化硅材料的商用化单晶。 4H SiC因为有比6H SiC 更高和各相同相的迁移率，所以在许多电性能应用中具有优势。表1是几种半导体的性能比较。表中同时给出了判断材料参数对器件性能的影响的7中优值FOM(Figures of merit)。JFOM和 KFOM 基本

的比较值，因为饱和电子漂移速度在功率器件中的作用并不显著。另外5个则对功率器件性能的估计更加确切，其中QFOM1是最实际的估计了电导损耗，而预计高频率性能则使用BHFOM较为合适。

表中列出了部分半导体材料性能和以硅的值为标准的参数优值的相对值，由表中可以看出金刚石、GaN、SiC 都有较高的优值，因此它们材料的性能决定了它们能制作高温高压大功率器件。另外，表中还可以看到4H-SiC的各种优值都比其它类型的SiC大，所以它的优势更加明显。在这些材料中，SiC是最有希望首先取得突破的。因为相对金刚石等材料,SiC的材料和工艺成熟的多，而其器件的性能比Si、GaAs好多个数量级。SiC高的击穿电场使其漂移区的电阻减少200倍，从而使高压FET的导通电压比目前所有的硅功率器件（IGBT、EST、BRT/MCT）都小得多。这些理论预测以被近年来制作一系列高频大功率SiC器件所证实。

表1 部分半导体材料性能及其归一化优值

399.2 55905

对功率器件碳化硅材料最重要的特性是它是间接带隙半导体，如果材料比较纯的话，则具有较长的复合寿命(1us)。这种特性允许制作高压PN结构二极管和PNPN闸流管，直接带隙半导体如GaN是不能制作这些器件的。4H-SiC由于禁带宽，在掺杂浓度为1016cm-3时本征温度高达1650oC。宽禁带的另外一个优点是在500oC以下都可以忽略反向漏电流。从而使碳化硅器件可以在高温下工作而保持较小的反向漏电流，减少了冷却设备。高的击穿电场使相同的击穿电压下碳化硅的漂移区的厚度比硅减少了10倍。减少了少子的存储和在给定的频率下开关损耗。在可以接受的功率损耗下开关频率可以增大到50到100KHz,这可以在变换器系统中明显的减少磁元件的尺寸和重量。最后，封装中的热阻抗由于碳化硅大的热导率而减少，有利于散热。希望通过使用碳化硅器件使功率系统的尺寸和重量大大减少。

（研究级为75mm）。

目前低电阻率(n型和p型)和半绝缘型的直径为50mm的4H和6H碳化硅片已商用化，

采用（hot wall chemical vapour deposition(CVD)）方法同质外延掺杂为1014cm-3厚度为100um的外延层的工艺已经成熟，为制造阻断电压为10KV的器件打下良好的基础。

衬底和外延层中目前的微管缺陷是碳化硅的一个主要问题。通过结的一个微管缺陷就会毁坏器件的电压阻断能力，因此，对于大面积器件只有在零缺陷的材料才能制成具有可接受的成品率器件。目前微管缺陷是阻碍商业化的主要障碍。然而，目前的最新报道是微管缺陷低于0.3/cm2 (几年前是1000/cm2)说明目前的碳化硅可以制造几平方微米的器件。另外一个问题是碳化硅片外延层的掺杂浓度和厚度的均匀性（典型值是厚度4%std. Dev. 掺杂8% std. Dev.）以及各批掺杂浓度的稳定性（典型值40％）

3 碳化硅器件的发展现状[1,5,6]

碳化硅具有相当成熟的加工工艺技术。所有的基本工艺步骤，如掺杂（粒子注入和外延掺杂），刻蚀（等离子体技术），氧化，肖特基和欧姆接触等都有许多的报道。目前存在的主要问题是SiC-SiO2界面质量很差，这造成低的沟道迁移率和低的跨，实际器件的结果显示6H-SiC 的性能比4H－SiC好，人们正在寻找4H－SiC MOSFET没有发挥它潜在优势的原因。另一个问题是粒子注入后的退火，人们已经采用各种方法减少粒子注入退火造成的损伤，这种损伤可能使采用粒子注入方法制造的功率器件中沟道迁移率降低几个数量级。除了MOSFETs外,我们还关心PN结和肖特基结的终端技术和钝化方法，以及接触和钝化的高温稳定性等。碳化硅器件要成为商品，还要在这些方面做工作。

已有很多碳化硅器件的实验结果报道，而且许多研究组正在努力研究，实际上，Northrop Grumman 早在1996年就制造了采用碳化硅功率器件的商用系统－UHF RF功率放大器。在功率开关器件方面，碳化硅肖特基最成熟，它由于有很好的反相恢复特性而有可能在中等电压（1KV-3KV）代替硅PiN二极管，而且可以和目前的硅IGBTs联合应用。

图1是碳化硅功率MOSFET阻断电压的进展情况，图中仅包括了在当时最高阻断电压的器件，图中的直线表示阻断电压以每年75％的速度增。图2 是碳化硅功率MOSFET导通电阻阻断电压的关系。图中左边和右边的直线分别表示硅和碳化硅的理论极限，中间的虚线表示目前碳化硅功率MOSFET的性能。图3 是碳化硅功率器件导通电流和阻断电压的关系。图中给出了碳化硅器件目前的最好性能。

碳化硅功率器件由于具有理想的特性，将使功率转换器的性能得到很大的提高，和硅功率器件相比它的优点如下：(1)碳化硅单载流子器件漂移区薄，开态电阻小。在低击穿电压下（50V）这些器件的开态电阻只为1.12μΩ,仅为相同的硅器件的１％。在高击穿电压(~5000V)，开态电阻增加为２９．５ｍΩ，比硅器件小３００倍。由于有小的导通电阻，碳化硅功率器件的正向损耗小，功率转换器件的效率就会提高。（2）碳化硅功率器件由于具有高的击穿电场而具有高的击穿电压。例如，商用的硅肖特基的电压小于300V，而第一个商用的碳化硅肖特基二极管的击穿电压已达到600V。(3)碳化硅有高的热导率，因此碳化硅功率器件有低的结到环境的热阻,这样器件的温度增加很慢。(4)碳化硅器件可工作在高温，碳化硅器件已有工作在600oC的报道，而硅器件的最大工作温度仅为150oC.(5)碳化硅具有很高的抗辐照能力。(6)碳化硅功

率器件的正反向特性随温度和时间的变化很小，可靠性好。(7)碳化硅双极器件具有很好的反向恢复特性，反向恢复电流小，开关损耗小，对缓冲器的依赖小。(8)由于低的开关损耗，碳化硅功率器件可工作在高频（>20KHz）.

虽然碳化硅功率器件有很多优点，目前还有一些困难限制它的发展，主要问题有：由于有微管缺陷使工艺成品率低。最好的材料为微管缺陷<1/cm2, 但它比典型的<10/cm2贵的多；价格贵，600V,4A的碳化硅肖特基二极管约需$50,(相同的硅<$1)；商用化的很少，仅有相对电压的肖特基二极管商用化；所需的高温封装技术还不成熟。

从商业化的角度来看，虽然碳化硅的市场是明显的存在的，但其商业率将受到材料技术，特别是成本的限制。目前碳化硅衬垫的成本是硅的100倍。虽然制作等同的性能的器件所需要的碳化硅材料比硅材料要少（约10倍），但这不足于弥补材料本身的费用。另外，相对于市场上的硅功率器件，碳化硅器件的制作工艺费用也高。只有当碳化硅材料和器件的制作费用减少10倍以后，碳化硅器件才能和硅器件相比较。一旦这些条件得到满足，碳化硅器件就可能在中等电压（1KV

4 国内碳化硅的进展[7-16]

国内对碳化硅研究还处于起步阶段。近几年中科院半导体所、西安理工大学、中科院上海冶金所、中国科技大学等兄弟单位学在材料和器件方面都开展了一些基础工作。从1994年开始西安电子科技大学在这方面取得了可喜成果：

理论成果：对SiC材料器件中载流子输运特性的研究。(1)系统研究了SiC材料的物理参数的表征，物理参数与温度的关系。这些参数如： SiC的能带参数，本征载流子浓度，载流子浓度，载流子有效质量，载流子迁移率，载流子漂移速度，热导率等。得到一些对器件制造有重意义的结论，提出了SiC材料的载流子'冻析'效应的多级离化模型,并研究了该效应对器件性能的影响；这方面的研究工作，为后续的研究提供了良好的基础。(2)SiC材料的霍尔测量和分析,测量温度从77K到800K，参数包括：自由载流子浓度，电阻率和电子迁移率。这也是国内首次对半导体材料进行的大温度范围的霍尔测量。在此之前碳化硅的霍尔系数和温度的关系还未见报道。该研究对于进一步的材料和器件方面的研究工作提供了重要实验数据。

(3)采用Monte Carlo 方法研究了SiC的载流子输运特性,在分析SiC能带结构和主要散射机构的基础上，建立了准确的色散关系和主要散射机构的几率表达式。采用自恰单粒子Monte Carlo方法（SPMC）模拟了SiC稳态电子输运特性，得到了SiC的电子迁移率随温度，电子漂移速度随电场的变化规律，充分体现了SiC的高温和高场特性。得到了另一些参量如电子能量，动量弛豫时间随温度和电场的变化关系，为开展SiC器件的研究工作提供了重要数据。采用系统Monte Carlo方法（EMC）对SiC中的瞬态输运进行了研究，

首次预见到在SiC中的速度过冲效应。(4)SiC器件的温度特性的研究,对SiC-MOSFET，MESFET，JFET的温度特性进行了理论研究，其中包括解析模型和数值模型，并得到了各种参数的变化规律。这些研究表明，SiC具有优良的高温特性，这是硅和砷化镓器件无法相比的。所建立的模型对于进一步的SiC器件和集成

电路的设计和研究工作具有重要指导意义。

高温SiC器件的研制。(1) (1997年)[16]制作出可以用于器件制作的欧姆接触,采用蒸发技术将

Ni-Cr(0.8:0.2)在中等掺杂的6H n-SiC上制作了性能优越的欧姆接触，其比接触电阻为8.4×10-5Ω·cm2。这一结果为进一步的器件研制工作打下基础。(2) (1999年)[13]进行了6H-SiC和4H-SiC肖特基二极管的研制，得到了肖特基二极管,具有较好的整流特性，理想因子为1.23，肖特基势垒高度为1.03eV，开启电压为0.5V。(3) (2000年)[11]设计和研制了MOSFET，得到了我国第一只6H-MOSFET。测试结果表明，MOSFET 具有较好的直流特性，最大跨导为0.36mS/mm，沟道电子迁移率为14cm2/V.s。和国外的九十年代中后期报道水平相当。研究了工艺对栅氧化层质量的影响，用SIMS方法分析了碳，氧，铝，氮，硅等元素在二氧化硅中的分布，为制作良好的氧化层提供了重要实验数据。(4) (2001年)[9]研制了碳化硅混合Pin/Schottky 二极管(MPS),其击穿电压大于600V,导通电流为1000A/cm2 .以上成果为进一步的研究打下了良好的基础。

5 结束语

四十多年来，感谢科学家们的努力工作，硅技术不断的进步，已经基本满足各种应用，目前98％的固态器件采用硅材料，研究者不断的在提高硅片质量，器件结构，模型和可靠性等做工作。然而硅器件的性能已到物理极限，不能满足将来的需要。碳化硅由于在耐压、温度和功率密度方面比硅有很大提高，是一种新型的功率半导体技术。目前各种碳化硅功率器件都有研究级的报道，在RF部分已经开始商业化。实际上，碳化硅材料的进展已使部分碳化硅功率器件大面积商业化成为可能。当然，碳化硅技术要完全实现商业化还有许多关键的技术问题需要解决，如材料的质量，Si-SiO2界面的性能，接触的热稳定性以及钝化

系统等。

参考文献：

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[3] Burak Ozpineci, Leon M. Tolbert, Syed K. Islam, Md. Hasanuzzaman, "System Impact of Silicon

Carbide Power Devices," Journal of High Speed Electronics, 2002.

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[5] https://www.doczj.com/doc/bd4737958.html,

[6] https://www.doczj.com/doc/bd4737958.html,

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[8] 尚也淳，张义门，张玉明：“SiC/SiO2界面粗糙散射对沟道迁移率影响的Monte Carlo研究”，物理学报，Vol.50，No.7，2001，PP.1350～1354

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[11] 张玉明,张义门,罗晋生：“6H-SiC MOS场效应晶体管的研制”，固体电子学研究与进展，Vol.20, No.1, 2000, PP.1～6

[12] 尚也淳张义门张玉明, “6H-SiC电子输运的Monte Carlo模拟” , 物理学报, Vol.49, No.9, 2000,PP.1786-1791

[13] 张玉明张义门罗晋生, “SiC 肖特基势垒二极管的研制”, 半导体学报, VoL.20, No.11, 1999

[14] 张玉明,张义门,罗晋升：“6H-SiC JFET高温解析模型”，电子学报，Vol.26, no.8, 1998, PP.117～119

[15] 张玉明,张义门,崔杰,罗晋升：“3C-SiC体特性的Monte Carlo模型”,物理学报, Vol.46, no.11, 1997, pp.2215～2222

[16] 张玉明,罗晋升,张义门:“n型6H-SiC体材料欧姆接触的制备”,半导体学报,Vol.18, no.9, 1997,pp.718～720

碳化硅功率器件在新能源汽车行业的应用

碳化硅功率器件在新能源汽车行业的应用 随着全球经济和技术的蓬勃发展，能源消耗逐年增加。目前，全球的二氧化碳(CO2)排放中有25%来源于汽车。有报告指出，截至2030年，全球CO2排放量将曾至423亿t。在我国，汽车排放带来的污染已经成为城市大气污染中的主要因素，我国的CO2排放目前已居全球第2，节能减排已成为汽车业发展的重大课题。因此，发展新能源汽车是实现节能减排及我国汽车产业跨越式和可持续发展的必然战略措施。电力驱动系统是影响新能源汽车动力性能、可靠性和成本的关键因素。目前，EV和HEV的电力驱动部分主要由硅(Si)基功率器件组成。随着电动汽车的发展，对电力驱动的小型化和轻量化提出了更高的要求。然而，由于材料限制，传统Si基功率器件在许多方面已逼近甚至达到了其材料的本征极限，如电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等，尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性。因此，各汽车厂商都对新一代碳化硅(SiC)功率器件寄予了厚望，希望通过应用SiC功率器件大幅实现电动汽车逆变器和DC-DC 转换器(为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器)等驱动系统的小型轻量化。由于SiC器件与Si器件相比，有更高的电流密度。在相同功率等级下，SiC功率模块的体积显著小于Si基绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块。丰田的技

术人员在一场演讲会上公开表达了对SiC器件的期待，他所强调的SiC功率器件的优点之一就是能实现功率模块的小型化。以智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)为例，利用SiC功率器件，其模块体积可缩小至Si基功率模块的1/3～2/3。由于SiC器件的能量损耗只有Si器件的50%，发热量也只有Si基器件的50%;另外，SiC器件还有非常优异的高温稳定性。因此，散热处理也更加容易进行，不但可以显著减小散热器的体积，还可以实现逆变器与马达的一体化。基于上述原因，SiC器件也被美誉为“重环保时代的关键元件”。SiC功率半导体已成为节能、高效、环保的代名词。为此，汽车业界对SiC的期待十分迫切，丰田汽车表示“SiC 具有与汽油发动机同等的重要性”。在输出功率为30kW 的工况下，试制的逆变器体积为0.5L，输出密度为60kW/L，此时功率元件的温度约为180℃。构成逆变器的器件除了SiC功率模块外，还包括驱动SiC功率器件的控制电路、散热片、冷却风扇及电容器等。因此，国内要想在电力电子器件方面摆脱国外束缚，改变我国电力电子技术长期落后的局面，就需要Si基IGBT和新一代SiC电力电子器件双管齐下，共同追赶国外先进技术的脚步。保证在Si基器件不断成熟的情况下，新一代器件技术也与国外的齐头并进。当新一代器件技术普及时，中国就可以站在电子功率器件的高端领域，改写整个电子功率器件全球产业化竞争的格局。

碳化硅电子器件发展分析报告

碳化硅电力电子器件的发展现状分析 目录 1.SiC器件的材料与制造工艺 (2) 1.1 SiC单晶 (2) 1.2 SiC外延 (3) 1.3 SiC器件工艺 (4) 2. SiC二极管实现产业化 (5) 3. SiC JFET器件的产业化发展 (7) 4. SiC MOSFET器件实用化取得突破 (7) 5. SiC IGBT器件 (8) 6. SiC功率双极器件 (9) 7. SiC 功率模块 (10) 8. 国内的发展现状 (11) 9. SiC电力电子器件面对的挑战 (11) 9.1 芯片制造成本过高 (11) 9.2 材料缺陷多，单个芯片电流小 (12) 9.3 器件封装材料与技术有待提高 (12) 10. 小结 (12)

在过去的十五到二十年中，碳化硅电力电子器件领域取得了令人瞩目的成就，所研发的碳化硅器件的性能指标远超当前硅基器件，并且成功实现了部分碳化硅器件的产业化，在一些重要的能源领域开始逐步取代硅基电力电子器件，并初步展现出其巨大的潜力。碳化硅电力电子器件的持续进步将对电力电子技术领域的发展起到革命性的推动作用。随着SiC单晶和外延材料技术的进步，各种类型的SiC器件被开发出来。SiC器件主要包括二极管和开关管。SiC二极管主要包括肖特基势垒二极管及其新型结构和PiN 型二极管。SiC开关管的种类较多，具有代表性的开关管有金属氧化物半导体场效应开关管（MOSFET）、结型场效应开关管（JFET）、绝缘栅双极开关管（IGBT）三种。 1.SiC器件的材料与制造工艺 1.1 SiC单晶 碳化硅早在1842年就被发现了，但直到1955年，飞利浦（荷兰）实验室的Lely 才开发出生长高品质碳化硅晶体材料的方法。到了1987年，商业化生产的SiC衬底进入市场，进入21世纪后，SiC衬底的商业应用才算全面铺开。碳化硅分为立方相（闪锌矿结构）、六方相（纤锌矿结构）和菱方相3大类共260多种结构，目前只有六方相中的4H-SiC、6H-SiC才有商业价值，美国科锐（Cree）等公司已经批量生产这类衬底。立方相（3C-SiC）还不能获得有商业价值的成品。 SiC单晶生长经历了3个阶段, 即Acheson法、Lely法、改良Lely法。利用SiC 高温升华分解这一特性，可采用升华法即Lely法来生长SiC晶体。升华法是目前商业生产SiC单晶最常用的方法，它是把SiC粉料放在石墨坩埚和多孔石墨管之间，在惰性气体（氩气）环境温度为2 500℃的条件下进行升华生长，可以生成片状SiC晶体。由于Lely法为自发成核生长方法，不容易控制所生长SiC晶体的晶型，且得到的晶体尺寸很小，后来又出现了改良的Lely法。改良的Lely法也被称为采用籽晶的升华法或物理气相输运法 (简称PVT法)。PVT法的优点在于：采用 SiC籽晶控制所生长晶体的晶型，克服了Lely法自发成核生长的缺点，可得到单一晶型的SiC单晶，且可生长较大尺寸的SiC单晶。国际上基本上采用PVT法制备碳化硅单晶。目前能提供4H-SiC晶片的企业主要集中在欧美和日本。其中Cree产量占全球市场的85%以上，占领着SiC晶体生长及相关器件制作研究的前沿。目前，Cree的6英寸SiC晶片已经商品化,可以小批量供货。此外，国内外还有一些初具规模的SiC晶片供应商，年销售量在1万片上下。Cree生产的SiC晶片有80%以上是自己消化的，用于LED衬底材料，所以Cree是全球

第三代半导体面SiC碳化硅器件及其应用

第三代半导体面-SiC(碳化硅)器件及其应用 作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料．特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件．因此，SiC器件和各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来超重要的作用． 从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展．在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用．发展迅速．经过近10年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件．以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品．国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果．虽然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前SiC器件和电路的性能不够优越．除了SiC材料和器件工艺需要不断提高外．更多的努力应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC材料的优势方面． 1 SiC分立器件的研究现状 目前．SiC器件的研究主要以分立器件为主．对于每一种器件结构，共最初的研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC上，而没有进行器件结构的优化．由于SiC的本征氧化层和Si相同，均为SiO2，这意味着大多数Si器件特别是M帕型器件都能够在Si C上制造出来．尽管只是简单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场．S iC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种大批量商业生产的SiC器件．日前高电压SiC肖特基二极管、SiC射频功率晶体管以及SiC M OSFET和MESFET等也已经有商业产品．当然所有这些SiC产品的性能还远没有发挥SiC 材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件还有待研究与开发．这种简单的移植往往不能完全发挥SiC材料的优势．即使在SiC器件的一些优势领域．最初制造出来的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比． 为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以提高SiC器件的功能和性能．1．1 SiC肖特基二极管 肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用．由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟．普渡大学最近制造出了阻断电压高达4．9kV的4H-SiC肖特基二极管，特征导通电阻为43mΩ?c㎡，这是目前SiC 肖特基二极管的最高水平． 通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金—半肖特基接触边沿处的电场集中．所以提高肖特基二极管阻断电压的主要方法就是采用不同的边沿阻断结构以减弱边沿处的电场集中．最常采用的边沿阻断结构有3种：深槽阻断、介质阻断和pn结阻断．普放大学采用的方法是硼注入pn结阻断结构，所选用的肖特基接触金属有Ni，Ti．2000年4月Cree和K ansai联合研制出一只击穿电压高达12．3kV的SiC整流器，主要采用了新的外延工艺和改进的器件设计．该器件具有很低的导通电阻，正向导通电压只有4.9 V ,电流密度高，可以达到100A／c㎡，是同类Si器件的5倍多. 1.2 SiC功率器件 由于SIC的击穿电场强度大约为Si的8倍．所以SiC功率器件的特征导通电阻可以做得小到相应Si器件的1/400．常见的功率器件有功率MOSFET、IGBT以及多种MOS控制闸流管等．为了提高器件阻断电压和降低导通电阻，许多优化的器件结构已经被使用．表1给出了

第三代半导体面SiC碳化硅器件及其应用

件)器及其应用i三第代半导体面-SC(碳化硅以其优良的物理化学特性和电特性成为制SiC作为一种新型的半导体材料，造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重器件的特性要的半导体材料．特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件和各类传感器已逐步成为SiCGaAs器件．因此，远远超过了Si器件和关键器件之一，发挥着越来超重要的作用． 从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展．在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用．发展迅速．经过近10年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件．以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品．国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果．虽然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前SiC器件和电路的性能不够优越．除了SiC材料和器件工艺需要不断提高外．更多的努力应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC材料的优势方面． 1 SiC分立器件的研究现状 目前．SiC器件的研究主要以分立器件为主．对于每一种器件结构，共最初的研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC 上，而没有进行器件结构的优化．由于SiC的本征氧化层和Si相同，

均为SiO2，这意味上制造出来．尽管只是简SiC帕型器件都能够在M 器件特别是Si着大多数． 单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场．S iC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种大批量商业生产的SiC器件．日前高电压SiC肖特基二极管、SiC射频功率晶体管以及SiC MOSFET和MESFET等也已经有商业产品．当然所有这些SiC产品的性能还远没有发挥SiC材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件还有待研究与开发．这种简单的移植往往不能完全发挥SiC材料的优势．即使在SiC器件的一些优势领域．最初制造出来的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比． 为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以提高SiC器件的功能和性能． 1．1 SiC肖特基二极管 肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用．由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟．普渡大学最近制造出了阻断电压高达4．9kV 的4H-SiC肖特基二极管，特征导通电阻为43mΩ?c㎡，这是目前SiC 肖特基二极管的最高水平． 通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金—半肖特基接触边

碳化硅电子元器件简介

碳化硅材料的优点 ?高电子饱和速度 （2x Si ） ?高击穿电压 （10x Si ） ?Wide band gap （3x Si ） ?大禁带宽度 （3x Si ） ?高熔点 （2x Si ） ?导通电阻低 ?高频特性好 ?耐高压 ?高温特性好 ?可以超高速开关，大大提高产品效率，减小散热设备面积 ?可以实现设备小型化 （如电动汽车充电器） ?可在高压下稳定工作 （高速列车，电力等） ?可在高温环境下稳定使用 （电动汽车等） 材料 器件 应用

碳化硅器件的耐温特性 GPT SIC DIODES VS SILICON FRD（ 600V10A ） Company A Company A ＧＰＴ

SiC SBD 主要产品 政府项目: SiC BJT: 1200V10A SiC MOS: 1200V40m ?/80m? 碳化硅 BJT/MOS 650V200A/1200V450A 碳化硅混合模块 650V: 3A/4A/5A/6A/8A/10A/20A/30A/50A/80A/100A 1200V: 2A/5A/10A/20A/40A/50A 1700V: 10A/30A 3300V: 0.6A/1A/2A/3A/5A/50A 碳化硅肖特基二极管

产品认证 ISO 9001 认证可靠性试验报告Rohs 认证CE 认证

应用市场 PFC EV Car/Train Traction UPS Solar Inverter ? 耐高温 ?使用碳化硅器件使得光伏逆变器输出功率从10kW 提升至40kW ，但是碳化硅器件的高温特性不需要更大体积的散热片系统，从而避免额外增加系统体积和重量。 ? 高开关效率 更高工作频率下使用碳化硅开关器件大大减小每千瓦输出功率所要求的的电容体积。 ? 低传导损耗 ?碳化硅器件可加倍电流输送。同样芯片面积的碳化硅器件即可承担硅器件输出功率的4倍以上。

碳化硅功率器件的发展现状及其在电力系统中的应用展望

碳化硅功率器件的发展现状及其在电力系统中的应用展望 摘要：碳化硅作为一种宽禁带材料，具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率等优点，可以实现高压、大功率、高频、高温应用的新型功率半导体器件。该文对碳化硅功率半导体器件的最新发展进行回顾，包括碳化硅功率二极管、MOSFET、IGBT，并对其在电力系统的应用现状与前景进行展望。 关键词：碳化硅；功率器件；电力系统 1 引言 理想的半导体功率器件，应当具有这样的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的d i/d t 和d u/d t，具有低的开关损耗，并具有全控功能。半个多世纪以来（自20世纪50年代硅晶闸管的问世），半导体功率器件的研究工作者为实现上述理想的器件做出了不懈的努力，并已取得了世人瞩目的成就。各类硅基功率半导体器件（功率二极管、VDMOS、IGBT、IGCT等）被成功制造和应用，促使各种新型大功率装置成功地应用于各种工业电源、电机驱动、电力牵引、电能质量控制、可再生能源发电、分布式发电、国防和前沿科学技术等领域。 然而由于在电压、功率耐量等方面的限制，这些硅基大功率器件在现代高性能电力电子装置中（要求具有变流、变频和调相能力；快速的响应性能~ms；利用极小的功率控制极大功率；变流器体积小、重量轻等）不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求，导致装置的故障率和成本大大增加，制约了现代电力系统的进一步发展。 近年来，作为新型的宽禁带半导体材料——碳化硅（SiC），因其出色的物理及电特性，正越来越受到产业界的广泛关注。碳化硅功率器件的重要优势在于具有高压(达数万伏)、高温(大于500℃)特性，突破了硅基功率器件电压(数kV)和温度(小于150℃)限制所导致的严重系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步，各种碳化硅功率器件被研发出来，如碳化硅功率二极管、MOSFET、IGBT等，由于受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅功率器件率先在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在600~1700V。近两年来，随着技术的进步，高压碳化硅器件已经问世，如19.5kV的碳化硅二极管[1]，10kV的碳化硅MOSFET[2]和13~15kV[3-4]碳化硅IGBT等，并持续在替代传统硅基功率器件的道路上取得进步。这些碳化硅功率器件的成功研发带来了半导体功率器件性能的飞跃提升，引发了

碳化硅让功率器件更加高效

碳化硅让功率器件更加高效 尽管坠落的陨石非常罕见，但作为外太空的一种天然矿物质（似乎不是非常罕见），碳化硅（SiC）通常被人们看作是一种复合物质，此物质是美国发明家爱德华·古德 里奇·艾奇逊于19世纪90年代发现的。爱德华·古德里奇·艾奇逊在此之前离开了托马斯·爱迪生（白炽灯先驱）的团队，并从事人造金刚石的开发工作。正是在此过 程中，当使用碳弧光灯对铁碗中的粘土和焦炭混合物进行加热时，他注意到了一些闪耀的蓝色晶体。后来他获得了许多专利，并首次将超硬晶体硅与碳的化合物作为产品（如砂纸、研磨和切割工具）中的磨料应用于我们的生活中，且在之后将该物质应用于防弹背心、汽车制动器和火箭发动机、发光二极管（早在1907年，世界 首根发光二极管，您能相信吗）以及功率半导体中。 为什么碳化硅可应用于功率半导体中？主要原因是它的能带隙较宽，这决定了需要多少能量来使电子在SiC材料上的能带之间进行跳变，使其载流。三个电子伏周围的宽带隙意味着热量、辐射和其他外部因素将不会对其性能产生破坏性影响。 因此，碳化硅是在这些特性方面（例如允许运行温度和辐射暴露）优于硅的材料，并且在高电压情况下绝缘击穿电场强度方面也拥有有利的性能；高电子速度意味着可以在较高频率下使用该材料；用于散热的高导热性为其提供了可在功率器件中使用的较大潜能。 或者更简单地说，可保证小型设计中高温下的更高效率和更少损失。因此，为什么不普及碳化硅的应用呢？我们想说，在不久以后——当在一些应用过程中阻碍商业化的晶体缺陷问题被持续解决之后、生产效率改善之后，瑞萨电子公司将在一段时间内生产肖特基势垒二极管。碳化硅功率场效应晶体管（SiCPowerMOSFET）和 绝缘栅双极晶体管（IGBT）已经面临SiC和二氧化硅接口方面的额外挑战，但是，在反复对这些问题进行广泛调查之后，情况日益得到了改善，由于持续开发SiC-MOSFET，已经可以使用瑞萨电子的混合器件，并将容易使用的传统硅MOSFET 与大规模导通电阻改进相结合，使其具有更高效率，同时也增加了约26%的效率，我们的混合IGBT将SiC二极管嵌入到IGBT包内，节省了传统需要的大约50%的PCB空间，前提是还应考虑由于减少的热损失而导致散热器更小。 除了大量SiC元件供应商的晶体生产产量以及工艺效率提高之外，市场因素在引领碳化硅电力技术（尤其是在效率方面）方面也发挥了一定作用。在一些应用中（例如空调和太阳能阵列），对于有效功率变换的需求非常强，并且功率切换效率和逆变电路由立法以及客户态度所支配。 出于这种考虑，瑞萨电子开发了在功率变换及其他此类应用中使用的碳化硅肖特基势垒二极管（SBD），以确保更快转换速度以及更低运行电压。

SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景

SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景 近年来，Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善，已经接近其材料特性决定的理论极限，依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。本文首先介绍了SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景，其次阐述了SiC功率器件发展中存在的问题，最后介绍了SiC功率半导体器件的突破。 SiC功率半导体器件技术发展现状1、碳化硅功率二极管 碳化硅功率二极管有三种类型：肖特基二极管（SBD）、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管（JBS）。由于存在肖特基势垒，SBD具有较低的结势垒高度。因此，SBD具有低正向电压的优势。SiC SBD的出现将SBD的应用范围从250 V提高到了1200 V。同时，其高温特性好，从室温到由管壳限定的175℃，反向漏电流几乎没有增加。在3 kV以上的整流器应用领域，SiC PiN和SiC JBS二极管由于比Si整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度以及更小的体积和更轻的重量而备受关注。 2、单极型功率晶体管，碳化硅功率MOSFET器件 硅功率MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在300V以下的功率器件领域，是首选的器件。有文献报道已成功研制出阻断电压10 kV 的SiC MOSFET。研究人员认为，碳化硅MOSFET器件在3kV～5 kV领域将占据优势地位。尽管遇到了不少困难，具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件的研发还是取得了显著进展。 另外，有报道介绍，碳化硅MOSFET栅氧层的可靠性已得到明显提高。在350℃条件下有良好的可靠性。这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是碳化硅MOSFET的一个显著的问题。 3、碳化硅绝缘栅双极晶体管（SiC BJT、SiC IGBT）和碳化硅晶闸管（SiC Thyristor） 最近报道了阻断电压12kV的碳化硅P型IGBT器件，并具有良好的正向电流能力。碳化硅IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。与Si双极型晶体管相比，SiC 双极型晶体管具有低20～50倍的开关损耗以及更低的导通压降。SiC BJT主要分为外延发

第三代半导体材料碳化硅

第三代半导体材料碳化硅 一、第三代半导体发展简述 半导体产业的基石是芯片。制作芯片的核心材料按照历史进程分为三代：第一代半导体材料（主要为目前广泛使用的高纯度硅）、第二代化合物半导体材料（砷化镓、磷化铟）、第三代化合物半导体材料（碳化硅、氮化镓）。 第三代半导体材料也称为禁带半导体材料，是指禁带宽度在2.3eV（电子伏特）及以上的半导体材料（硅的禁带宽度为1.12eV），其中较为典型的和成熟的包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等，其余包括氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等的研究尚处于起步阶段。 第三代半导体材料在禁带宽度、热导率、介电常数、电子漂移速度方面的特性使其适合制作高频、高功率、高温、抗辐射、高密度集成电路；其在禁带宽度方面的特性使其适合制作发光器件或光探测器等。 5G基站射频器件对高频材料的需求，以及功率器件正向着大功率化、高频化、集成化方向发展的趋势凸显出了第三代半导体材料的重要性及广阔前景。而该领域基本由美日企业主导，我国相对薄弱，研发仍主要集中于军工领域。 国家战略新兴产业政策中多次提到以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体器件，随着国内多家企业开始重视该领

域，积极布局相关项目，我国的第三代半导体材料及器件有望实现较快发展。 二、第三代半导体---碳化硅概述 碳化硅是第三代化合物半导体材料的，具有优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率。 半导体芯片分为集成电路和分立器件，但不论是集成电路还是分立器件，基本结构都可以划分为“衬底—外延—器件”结构。碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。 图：碳化硅晶片产业链

碳化硅的应用

碳化硅 碳化硅，又称为金钢砂或耐火砂，英文名Silicon Carbide，分子式SiC。 纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。绿色至蓝黑色。介电常数7。硬度9Mobs。A-是半导体。迁移率(300 K), cm2 / (VS),400电子和50空穴，谱带间隙eV，303(0 K)和2.996(300 K)；有效质量0.60电子和1.00空穴，电导性，耐高温氧化性能。相对密度3.16。熔点2830℃。导热系数(500℃)22. 5 , (1000℃)23.7 W / (m2K)。热膨胀系数：线性至100℃：5.2×10-6/ ℃，不溶于水、醇；溶于熔融碱金属氢氧化物。 碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。碳化硅为晶体，硬度高，切削能力较强，化学性能力稳定，导热性能好。 黑碳化硅是以石英砂，石油焦和优质硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉。常用的碳化硅磨料有两种不同的晶体，一种是绿碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于磨硬质含金工具。另一种是黑碳化硅，有金属光泽，含SiC 95%以上，强度比绿碳化硅大，但硬度较低，主要用于磨铸铁和非金属材料。 碳化硅的用途是十分广泛的，目前主要是用作磨料和耐火材料，这两项用途占了碳化硅产量中的大部分。通常磨料用的颗粒粒级很窄，反之耐火材料不同。下面分几个方面介绍碳化处的主要用途。 一、磨料 由于碳化硅具有很高的硬度、化学稳定性和一定的韧性，所以是一种用途很广的磨料，可用以制造砂轮、油石、涂附磨具或自由研磨。它主要是用于研磨玻璃、陶瓷、石材等非金属材料、铸铁及某些非铁金属，它与这些材料之间的反应性很弱。由于它是普通废料中硬度最高的材料，所以包常用以加工硬质合金、钛合金、高速钢刀具等难磨材料及修正砂轮用。碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能，是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器，矿斗内衬的理想材料，其耐磨性能是铸铁、橡胶使用寿命的5~20倍，也是航空飞行跑道的理想材料之一。 其中黑色碳化硅和绿色碳化硅的应用也有所差别。黑碳化硅制成的磨具，多用于切割和研磨抗张强度低的材队如玻璃、陶瓷、石料和耐火物氯同时也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削。绿碳化硅制成的磨具，多用于硬质合金、钦合金、光学玻璃的磨削，同时也用于缸缸和高速钢刀具的精磨。 由于其优良的耐磨性，碳化硅在冶金选矿行业中也有应用。参见《碳化硅在选矿工艺中的应用》。 二、耐火材料和耐腐蚀材料 这一用途是由于它的高熔点(分解温度)、化学惰性和抗热震性。日前生产碳化硅耐火材料的主要方法包括压制和烧结碳化硅、压制和再结晶碳化硅、浇注和再结晶碳化硅、碳化硅

第三代半导体面SiC碳化硅器件及其应用修订稿

第三代半导体面S i C碳化硅器件及其应用 集团标准化工作小组 [Q8QX9QT-X8QQB8Q8-NQ8QJ8-M8QMN]

第三代半导体面-S i C(碳化硅)器件及其应用 作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料．特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件．因此，SiC器件和各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来超重要的作用．从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展．在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用．发展迅速．经过近10年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件．以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品．国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果．虽然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前Si C器件和电路的性能不够优越．除了SiC材料和器件工艺需要不断提高外．更多的努力应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC材料的优势方面． 1 SiC分立器件的研究现状 目前．SiC器件的研究主要以分立器件为主．对于每一种器件结构，共最初的研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC上，而没有进行器件结构的优化．由于SiC的本征氧化层和Si相同，均为SiO2，这意味着大多数Si器件特别是M帕型器件都能够在SiC上制造出来．尽管只是简单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场． S iC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种大批量商业生产的SiC器件．日前高电压SiC肖特基二极管、SiC射频功率晶体管以及SiC MOSFET和MESFET等也已经有商业产品．当然所有这些SiC产品的性能还远没有发挥SiC材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件还有待研究与开发．这种简单的移植往往不能完全发挥SiC材料的优势．即使在SiC器件的一些优势领域．最初制造出来的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比． 为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以提高SiC器件的功能和性能． 1．1 SiC肖特基二极管 肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用．由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟．普渡大学最近制造出了阻断电压高达4．9kV的4H-SiC肖特基二极管，特征导通电阻为43mΩc㎡，这是目前SiC肖特基二极管的最高水平． 通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金—半肖特基接触边沿处的电场集中．所以提高肖特基二极管阻断电压的主要方法就是采用不同的边沿阻断结构以减弱边沿处的电场集中．最常采用的边沿阻断结构有3种：深槽阻断、介质阻断和pn结阻断．普放大学采用的方法是硼注入pn结阻断结构，所选用的肖特基接触金属有Ni，Ti．2000年4月Cree和Kansai联合研制出一只击穿电压高达12．3kV的SiC整流器，主要采用了新的外延工艺和改进的器件设计．该器件具有很低的导通电阻，正向导通电压只有 V ,电流密度高，可以达到100A／c㎡，是同类Si器件的5倍多. SiC功率器件由于SIC的击穿电场强度大约为Si的8倍．所以SiC功率器件的特征导通电阻可以做得小到相应S i器件的1/400．常见的功率器件有功率MOSFET、IGBT以及多种MOS控制闸流管等．为

电力电子中的碳化硅SiC

电力电子中的碳化硅SiC SiC in Power Electronics Volker Demuth, Head of Product Management Component, SEMIKRON Germany 据预测，采用SiC的功率模块将进入诸如可再生能源、UPS电源、驱动器和汽车等应用。风电和牵引应用可能会随之而来。到2021年，SiC功率器件市场总额预计将上升到10亿美元 [1]。在某些市场，如太阳能，SiC器件已投入运行，尽管事实上这些模块的价格仍然比常规硅器件高。是什么使这种材料具有足够的吸引力，即使价格更高也心甘情愿地被接受？首先，作为宽禁带材料，SiC提供了功率半导体器件的新设计方法。传统功率硅技术中，I GBT开关被用于高于600V的电压，并且硅PIN-续流二极管是最先进的。硅功率器件的设计与软开关特性造成相当大的功率损耗。有了SiC的宽禁带，可设计阻断电压高达15kV的高压MOSFET，同时动态损耗非常小。有了SiC，传统的软关断硅二极管可由肖特基二极管取代，并带来非常低的开关损耗。作为一个额外的优势，SiC具有比硅高3倍的热传导率。连同低功率损耗，SiC是提高功率模块中功率密度的一种理想材料。目前可用的设计是SiC混合模块（IGBT和SiC肖特基二极管）和全SiC模块。 SiC混合模块 SiC混合模块中，传统IGBT与SiC肖特基二极管一起开关。虽然SiC器件的主要优势是与低动态损耗相关，但首先讨论SiC肖特基二极管的静态损耗。通常情况下，SiC器件的静态损耗似乎比传统的硅器件更高。图1.a显示了传统软开关600V赛米控CAL HD续流二极管的正向压降V f，为低开关损耗而优化的快速硅二极管和SiC肖特基二极管，所有的额定电流为10 A。 图1.a中：25℃和150℃下不同续流二极管的正向电流与正向压降。对比了10A的SiC肖特基二极管，传统的软开关硅二极管（CAL H D）和快速硅二极管（硅快速）。1.b：同一二极管的正向压降和电流密度（正向电流除以芯片面积）。 在10A的额定电流下，硅续流二极管展现出最低的正向压降，SiC肖特基二极管的V f更高，而快速硅二极管展现出最高的正向压降。正向电压与温度之间的关联差别很大：快速硅二极管具有负的温度系数，150°C下的V f比2 5°C下的V f低。对于12A以上的电流，CAL的温度系数为正，SiC肖特基二极管即使电流为4A时，温度系数也为正。由于二极管通常并联以实现大功率器件，需要具有正温度系数以避免并联二极管中的电流不平衡和运行温度不

第三代半导体面 SiC 碳化硅 器件及其应用

第三代半导体面-S i C(碳化硅)器件及其应用作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料．特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件．因此，SiC器件和各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来超重要的作用． 从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展．在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用．发展迅速．经过近10年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件．以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品．国内的研究所和高校在SiC 材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果．虽然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前SiC器件和电路的性能不够优越．除了SiC材料和器件工艺需要不断提高外．更多的努力应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC 材料的优势方面． 1 SiC分立器件的研究现状 目前．SiC器件的研究主要以分立器件为主．对于每一种器件结构，共最初的研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC上，而没有进行器件结构的优化．由于SiC的本征氧化层和Si相同，均为SiO2，这意味着大多数Si器件特别是M帕型器件都能够在SiC上制造出来．尽管只是简

单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场．S iC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种大批量商业生产的SiC器件．日前高电压SiC肖特基二极管、Si C射频功率晶体管以及SiC MOSFET和MESFET等也已经有商业产品．当然所有这些SiC产品的性能还远没有发挥SiC材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件还有待研究与开发．这种简单的移植往往不能完全发挥SiC材料的优势．即使在SiC器件的一些优势领域．最初制造出来的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比． 为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以 提高SiC器件的功能和性能． 1．1 SiC肖特基二极管 肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用．由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟．普渡大学最近制造出了阻断电压高达4．9kV的4H-SiC肖特基二极管，特征导通电阻为43mΩ?c㎡，这是目前SiC肖特基二极管的最高水平． 通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金—半肖特基接触边沿处的 电场集中．所以提高肖特基二极管阻断电压的主要方法就是采用不同的边沿阻断结构以减弱边沿处的电场集中．最常采用的边沿阻断结构有3种：深槽阻断、介质阻断和pn结阻断．普放大学采用的方法是硼注入pn结阻断结构，所选用的肖特基接触金属有Ni，Ti．2000年4月Cree和Kansai联合研制

碳化硅电力电子器件的发展现状分析

碳化硅电力电子器件的发展现状分析在过去的十五到二十年中，碳化硅电力电子器件领域取得了令人瞩目的成就，所研发的碳化硅器件的性能指标远超当前硅基器件，并且成功实现了部分碳化硅器件的产业化，在一些重要的能源领域开始逐步取代硅基电力电子器件，并初步展现出其巨大的潜力。碳化硅电力电子器件的持续进步将对电力电子技术领域的发展起到革命性的推动作用。随着SiC单晶和外延材料技术的进步，各种类型的SiC器件被开发出来。SiC器件主要包括二极管和开关管。SiC二极管主要包括肖特基势垒二极管及其新型结构和PiN型二极管。SiC开关管的种类较多，具有代表性的开关管有金属氧化物半导体场效应开关管(MOSFET)、结型场效应开关管(JFET)、绝缘栅双极开关管(IGBT)三种。 1. SiC二极管实现产业化 SiC电力电子器件中，SiC二极管最先实现产业化。2001年德国Infineon公司率先推出SiC二极管产品，美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本，罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。很多企业在开发肖特基势垒二极管(SBD)和JBS结构二极管。目前，SiC二极管已经存在600V~1700V电压等级和50A电流等级的产品。 SiC 肖特基二极管能提供近乎理想的动态性能。做为单子器件，它的工作过程中没有电荷储存，因此它的反向恢复电流仅由它的耗尽层结电容造成，其反向恢复电荷以及其反向恢复损耗比Si超快恢复二极管要低一到两个数量级。更重要的是，和它匹配的开关管的开通损耗也可以得到大幅度减少，因此提高电路的开关频率。另外，它几乎没有正向恢复电压，因而能够立即导通，不存在双极型器件的开通延时现象。在常温下，其正态导通压降和Si

碳化硅功率器件可靠性综述 (1)

碳化硅功率MOSFET可靠性综述 陈思哲 1.碳化硅功率器件的提出 过去的几十年间，电力电子器件在结构设计，工艺流程以及材料品质等方面取得了长足的进步。然而，与此同时，技术的进步也使得传统硅基器件在许多方面已逼近甚至达到了其材料的本证极限，如电压阻断能力，正向导通压降，器件开关速度等。近二十年里，这样的事实和随之而来的紧迫感使得电力电子技术人员不断寻求一种新的方法，以获得更为优异的器件特性，更高的功率密度以及更低的系统能耗。其中，人们最为期待是使用宽禁带半导体材料代替硅制备功率器件[1]。 相比于其他宽禁带半导体材料（如GaN等），碳化硅（SiC）所具有的一个先天优势是可以形成自然的氧化层（SiO2），这使得碳化硅器件可轻易的继承在硅器件中已广泛使用的金属-氧化物-半导体（MOS）结构以及相关技术。目前，以碳化硅为基底电力电子功率器件研究方兴未艾。相比于传统的硅材料，碳化硅材料具有的优势包括：10倍以上的电场承受能力，3倍左右的禁带宽度，以及大于3倍的导热系数等。极高的电场承受能力使得碳化硅功率器件具有很薄的衬底和较高的掺杂浓度，更大的禁带宽度使得它能够工作在更高的温度下并有强的抗辐射能力。而碳化硅材料的高导热系数（4.9℃/W）则意味着更为迅速的热量耗散，即器件可以承受更高的功率密度和工作温度。不过，虽然使用碳化硅材料制备电力电子功率器件前景广阔，相关器件的可靠性，尤其是长期工作的可靠性一直是人们关注的重点。 本篇文章主要讨论碳化硅器件，特别是碳化硅功率MOSFET的可靠性以及相关问题。功率MOSFET是一种使用金属-氧化物-半导体结构控制器件表面电流通断的一种电力电子器件，具有开关速度快，驱动简单等特点，目前已广泛应用于中低压电力变换装置中。而若改用碳化硅材料，则可使制得的MOSFET器件阻断电压大幅提升，并保持较低的导通阻抗，从而有望取代目前占领中高压市场的IGBT器件。然而，值得注意的是，虽然碳化硅展现了出众的电学和物理学特性，但相关器件在设计和制备中出现的一系列问题是我们无法回避的。尽管大部分可归咎于材料和器件工艺的不成熟，并能够通过长期的研究加以解决，另一些可能是使用这种材料所带来的根本性缺陷。在下文中，作者将针对这些问题展开讨论。

三代半导体之碳化硅

半导体也分代？三代半导体之碳化硅。 三代半导体是什么？？？ 随着半导体逐渐进入人们的视野 时至今日半导体材料家族也在逐渐扩大 现在的半导体迭代也已经到了第三代 第三代半导体以碳化硅以及氮化镓为代表 可应用在更高阶的高压功率元件 以及高频通讯元件领域：例如高温、高频、抗辐射、大功率器件等等~

第三代半导体的优势在哪里呢？ —比导通电阻是硅器件的近千分之一（在相同的电压/电流等级），可以大大降低器件的导通损耗； —开关频率是硅器件的20倍，可以大大减小电路中储能元件的体积，从而成倍地减小设备体积，减少贵重金属等材料的消耗； —理论上可以在600 ℃以上的高温环境下工作，并有抗辐射的优势，可以大大提高系统的可靠性，在能源转换领域具有巨大的技术优势和应用价值。 第三代半导体器件如今的应用领域非常广泛 智能电网、电动汽车、轨道交通、新能源并网、开关电源、工业电机以及家用电器等领域得到应用，并展现出良好的发展前景，可以说全球正在逐渐进入第三代半导体时代。

而就第三代半导体来说：碳化硅是目前发展最成熟的半导体材料，氮化镓紧随其后，金刚石、氮化铝和氧化镓等也成为国际前沿研究热点。以下将通过一个系列3篇分别介绍当前的发展状况。 既然提到了成熟的碳化硅 那么我们就来聊一聊这个碳化硅是什么 碳化硅又名碳硅石、金刚砂，是一种无机物，化学式为SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。在C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。

宽禁带功率MOSFET半导体器件的研究进展

宽禁带功率MOSFET半导体器件的研究进展半个世纪以来，功率半导体器件得到长足发展，极大地促进了电力电子技术的进步，而功率半导体器件的发展主要基于整个微电子领域的基石——硅材料。19世纪80年代以来，硅材料本身的物理特性对硅基功率器件性能的限制被认识得越来越清晰。 实现低导通电阻的方法是提高材料的临界击穿电场，也就是选择宽禁带的半导体材料。根据更符合实际应用，以及综合考虑功率器件的导通损耗、开关损耗和芯片面积等因素的估算，碳化硅、氮化镓和金刚石功率器件大大降低了损耗和器件面积，新型宽禁带半导体材料将引发功率器件的巨大进步。 同时，以碳化硅、氮化镓和金刚石为代表的宽禁带半导体材料具有较大的电子饱和速度，可以应用于射频器件领域。碳化硅和金刚石具有较高的热导率，适用于对需要耗散较大功率并且半导体芯片热阻是系统热阻一个重要组成部分的大功率应用领域。 基于材料的优越性能，宽禁带半导体功率器件受到广泛关注和深入研究。由于其器件性能的优势基本来源于材料本身，所以宽禁带半导体材料的研究是新型功率器件研究首先要面临的挑战。 2.碳化硅功率器件 碳化硅SiC、氮化镓GaN和金刚石是典型的宽禁带半导体材料。基于碳化硅材料的功率器件经过了长时间研究，已经具有较高的成熟度和可靠性。2004年，Cree公司成功研发微管密度低于10cm-2的高质量3英寸4H-SiC材料，并投放市场。2007年，该公司又推出了4英寸零微管密度的4H-SiC材料，可用于制作大尺寸的高功率器件。 目前Cree公司、II-VI公司、Dow Corning公司和Nippon Steel已经批量生产4英寸碳化硅晶圆。2010年业界发布了6英寸的碳化硅晶圆。150mm的晶圆毫无疑问会降低碳化硅器件制造成本，并且为4H-SiC功率器件的发展提供坚实基础。 2.1 碳化硅功率二极管