SiC: 為何被稱為是新一代功率半導(dǎo)體？

SiC(碳化硅)作為第三代半導(dǎo)體，以耐高壓、高溫和高頻，在高性能功率半導(dǎo)體上顯出優(yōu)勢(shì)。據(jù)SiC廠商羅姆基于IHS的調(diào)查顯示，2025年整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到約23億美元。在應(yīng)用中，在光伏和服務(wù)器市場(chǎng)最大，正處于發(fā)展中的市場(chǎng)是xEV（電動(dòng)與混動(dòng)汽車）。隨著SiC產(chǎn)品特性越做越好，在需要更高電壓的鐵路和風(fēng)電上將會(huì)得到更多的應(yīng)用。

不過(guò)，制約SiC發(fā)展的關(guān)鍵是價(jià)格，主要原因有兩個(gè)：襯底和晶圓尺寸。例如晶圓尺寸越大，成本也會(huì)相應(yīng)地下降，羅姆等公司已經(jīng)有6英寸的晶圓片。在技術(shù)方面，眾廠商競(jìng)爭(zhēng)的有兩個(gè)焦點(diǎn)：技術(shù)和原材料。

不久前，羅姆半導(dǎo)體（北京）有限公司設(shè)計(jì)中心所長(zhǎng)水原德建先生介紹了SiC的優(yōu)勢(shì)及工藝技術(shù)。

1 什么是SiC

SiC(碳化Si)是以1：1的比例，用Si(Si)和碳(C)生成的化合物。

SiC硬度很高。市面上最硬的是鉆石，硬度為15，SiC的硬度是13，已接近鉆石的硬度。

SiC的物理特性。與Si和GaN(氮化鎵)相比，如圖1。Si是市場(chǎng)上現(xiàn)在用得最多的材料。目前半導(dǎo)體功率元器件中的材料主要是這3種材料。

SiC在物理特性上的好處。第一是擊穿場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)更強(qiáng)，因此耐壓更高，所以它可以做成耐高壓的產(chǎn)品。

第二是熔點(diǎn)和Si相比會(huì)更高一些。這樣可以耐更高的溫度，大約可以耐到Si溫度3倍以上。第三個(gè)好處是電子飽和速度會(huì)更快一些，所以SiC的頻率可以做得更高。

另外還有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是熱傳導(dǎo)性很高，這樣冷卻更容易去做；再有，禁帶寬度更寬，這樣可以使工作溫度更好做。

因此總結(jié)起來(lái)SiC的五角形優(yōu)勢(shì)，從產(chǎn)品本身看，SiC耐高壓、高溫和高頻；另外在設(shè)計(jì)上，因?yàn)镾iC耐的溫度會(huì)更高一些，因此更容易做冷卻和散熱設(shè)計(jì)。

1.1 SiC 優(yōu)異的材料特性

相比現(xiàn)在流行的Si-MOSFET，SiC最大的好處體現(xiàn)在兩方面。第一是擊穿場(chǎng)較強(qiáng)，大約是Si的10倍左右，即可以把高壓特性做得更好。

第二，如圖2，在上面的柵極與下面的襯底之間有一個(gè)電壓隔離區(qū)。這個(gè)電壓隔離區(qū)越寬，里面的內(nèi)阻就會(huì)越大。內(nèi)阻也就是通常說(shuō)的導(dǎo)通電阻，如果導(dǎo)通電阻越大，能量、功率損耗也會(huì)越大。

如果采用SiC，可以把電壓隔離區(qū)做得更薄，因而內(nèi)阻可以更低，即導(dǎo)通電阻可以做得更小。相應(yīng)地，其能耗會(huì)更少。

既SiC可以做高壓，又可以使它內(nèi)部的特性做得更好，這是SiC的兩個(gè)最大好處。

1.2 Si和SiC 功率元器件的比較

首先是二極管和晶體管(三極管)的比較（注：MOSFET也包含在其中）。

二極管主要有幾種，諸如肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）、整流二極管（FRD）、快恢復(fù)二極管（PND）等。如圖3可見(jiàn)，如果用Si材料，用肖特基構(gòu)造來(lái)做，最高大約只能做到250 V。再往上做的話，基本都是靠整流二極管或快恢復(fù)二極管了。但是如果用SiC，肖特基構(gòu)造可以做到約4 kV，之后上面會(huì)用整流二極管去做（如圖3左）。

讀者至此可能會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)：為什么一定用肖特基來(lái)做呢？PND和FRD有何不好呢？接下來(lái)的章節(jié)里會(huì)介紹這方面的內(nèi)容。

在晶體管部分（如圖3右），晶體管Si的產(chǎn)品主要是以功率MOSFET和IGBT這兩種產(chǎn)品為主。對(duì)于MOSFET，如果Si的特性好，可以做到900 V左右。市場(chǎng)上1.5 kV左右的MOSFET產(chǎn)品也有，但是其特性會(huì)變差。這種情況下，如果用SiC來(lái)做，現(xiàn)在基本可以做到3.3 kV及以上。

Si與SiC的總結(jié)如表1。即Si的少子（少數(shù)載流子）器件主要有兩種：一種是整流管（FRD）和IGBT。它們的最大的好處是耐壓特性會(huì)更好，但開(kāi)關(guān)特性一般。如果用FRD，恢復(fù)特性有一些缺陷。

Si的多子器件一般做成功率MOSFET（或超級(jí)結(jié)MOSFET）。超級(jí)結(jié)MOSFET的耐壓特性雖然不是很強(qiáng)，但是最大的好處是開(kāi)關(guān)損耗少，因此開(kāi)關(guān)特性很好。

但是如果是SiC來(lái)做的話，二極管可以是肖特基，如果三極管就是MOSFET。這樣可以看到把上述IGBT的高壓特性和超級(jí)結(jié)的開(kāi)關(guān)特性都變成最好的特性。因此市場(chǎng)上對(duì)于SiC產(chǎn)品，除了價(jià)格之外，性能上普遍受到認(rèn)同。

1.3 功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用分類

如圖4，橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)是功率。從中可見(jiàn)，低頻、高壓的情況下，Si IGBT最適合。如果稍稍高頻，但是電壓和功率不是很高的情況下，用SiMOSFET是最好。如果既是高頻又是高壓的情況下，SiC MOSFET最適合。如果電壓不需要很高，功率不需要很大，但是頻率需要很高，這種情況下就用氮化鎵（GaN）。

當(dāng)然這里的縱坐標(biāo)是功率（注：其實(shí)電壓也是一樣的）。高電壓的時(shí)候，IGBT會(huì)用得較多，低電壓時(shí)MOSFET會(huì)用得較多，高頻的時(shí)候氮化鎵特性會(huì)更好一些，高頻和高壓時(shí)SiC會(huì)更好一些。

2 SiC與Si功率元器件的性能對(duì)比

由于SiC的導(dǎo)通電阻可以做得更低，因此效率可以提高更多，并把產(chǎn)品尺寸做得更小?？梢宰龀筛哳l，高頻器件可以把周邊的元器件變小，因此整個(gè)模塊、產(chǎn)品也可以變小。高溫運(yùn)行的情況下，可以把冷卻做得更好，例如以前用很大的散熱板，SiC方案可以用水冷或者很小的散熱板、很薄的散熱片，實(shí)現(xiàn)小型化，薄型化，這也是為什么汽車或工控行業(yè)用得比較多的原因。

例如，一個(gè)5 kW左右的DC/DC，原來(lái)用IGBT產(chǎn)品來(lái)做的情況下，質(zhì)量要達(dá)到將近7 kg左右，體積大約是8升左右。如果把它變成里面都用上SiC，其重量可以降到原來(lái)的1/8左右。

2.1 為什么SiC 的肖特基會(huì)取代原有的FRD ？

首先因?yàn)镕RD是一個(gè)PN結(jié)構(gòu)，是“半導(dǎo)體+半導(dǎo)體”，這種結(jié)構(gòu)有一個(gè)最大的問(wèn)題：電流從P流向N之后，一旦切斷，從開(kāi)始到結(jié)束，理想狀態(tài)是自然歸零。但是“半導(dǎo)體+半導(dǎo)體”結(jié)構(gòu)一定會(huì)有反向恢復(fù)，會(huì)造成浪費(fèi)（如圖5）。浪費(fèi)區(qū)域越大，損耗越多。

由于肖特基不是PN結(jié)構(gòu)，下面是半導(dǎo)體，上面是金屬，即“半導(dǎo)體+金屬”，理論上不會(huì)有反向恢復(fù)，但是由于金屬也有一些半導(dǎo)體特性，因此實(shí)際上還是有一點(diǎn)點(diǎn)，但畢竟比FRD減少了很多，這也是為什么用肖特基的構(gòu)造取代快恢復(fù)的構(gòu)造：因?yàn)榉聪驌p耗變得更少，這意味著整個(gè)產(chǎn)品的效率更高。

當(dāng)然上述是溫度的依存。接下來(lái)還有電流依存。因?yàn)镾i產(chǎn)品會(huì)隨著電流的增大，損耗越來(lái)越多，效率會(huì)越來(lái)越差。但是從圖5可見(jiàn)，SiC的電流基本上沒(méi)有變化。即SiC SBD取代Si FRD的優(yōu)勢(shì)是不受電流的影響，也不受溫度的影響。

在SiC肖特基制造方面，工藝也很重要?，F(xiàn)在市面上SiC肖特基產(chǎn)品有兩種構(gòu)造，一種構(gòu)造是純肖特基構(gòu)造。羅姆公司的第一代和第二代產(chǎn)品使用了純肖特基的構(gòu)造。純肖特基構(gòu)造的最大好處在哪里？因?yàn)樾ぬ鼗袃蓚€(gè)特性，一個(gè)是V _F，即正向耐壓；另一個(gè)特性是瞬間的最大電流。所以如果用肖特基構(gòu)造來(lái)做，雖然V _F可以做得很低，但是瞬間電流做得不太理想。

羅姆公司的第三代產(chǎn)品采用了JBS構(gòu)造（如圖6）。JBS構(gòu)造的最大好處，雖然它的V _F會(huì)相應(yīng)的變差，但是羅姆公司用自己的能力在保證原有的低V_F的情況下，把瞬間電流做得更大。由于JBS構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在市場(chǎng)上的產(chǎn)品基本都是JBS構(gòu)造。

2.2 SiC MOSFET

SiC MOSFET最主要取代Si的IGBT和MOSFET。從圖7可以看到，SiC MOSFET最大的好處是開(kāi)關(guān)特性做得更好。如圖，IGBT恢復(fù)回來(lái)時(shí)有拖尾電流，所以帶來(lái)了不必要的能量消耗。用SiC的MOS來(lái)做，可以消除拖尾電流。當(dāng)然這不只是SiC的MOS了，實(shí)際上，普通的MOS也基本上可以做到這種理想狀況，但是普通MOS為什么這里沒(méi)有提及呢？因?yàn)槠胀∕OS還有一個(gè)電壓不夠的原因，例如達(dá)不到1.2 kV、1.7 kV。所以在高電壓產(chǎn)品中，特性好的話，現(xiàn)在只有SiC MOS這么一種產(chǎn)品。

在MOS市場(chǎng)上，現(xiàn)在也有兩種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，第一種是平面型構(gòu)造MOS，即DMOS，還有一種MOS是溝槽型的構(gòu)造，即UMOS（注：溝槽長(zhǎng)得像U）。

兩種MOS的最大區(qū)別是：平面型構(gòu)造的耐壓可以做得很好，但是芯片尺寸要做得很大。但是溝槽式的可以做小，即可以把晶圓尺寸做小一些，因而價(jià)格更低一些，同樣的芯片情況下，還可以把R_on 做得更低一些。

為此，羅姆的第一二代產(chǎn)品采用平面型構(gòu)造，第三代采用了溝槽型的構(gòu)造。這種溝槽型的構(gòu)造現(xiàn)在只有羅姆一家在做，其他的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手基本上是以平面型的構(gòu)造去實(shí)現(xiàn)。此外，羅姆的溝槽構(gòu)造還有一個(gè)好處：跟普通的溝槽構(gòu)造是不一樣的，普通Si的溝槽型構(gòu)造是一個(gè)溝槽，但是羅姆挖了兩個(gè)溝槽（如圖8），這是因?yàn)镸OS有個(gè)最大的問(wèn)題是在柵極耐壓會(huì)差一些，因?yàn)樗莻€(gè)氧化膜，因此在側(cè)面又挖了一個(gè)溝槽，使它的電流可以從此跑出去，使其耐壓特性更強(qiáng)一些。這種雙溝槽的構(gòu)造是羅姆的一個(gè)專利，只羅姆才有。

2.3 模塊

把上述的二極管、三極管集成在一起，可做成模塊。用IGBT和用SiC來(lái)做的比較如圖9。首先可以看得到，SiC的開(kāi)關(guān)損耗比IGBT更低一點(diǎn)。并且隨著頻率的增高，IGBT模塊的損耗增加很快，這意味著在頻率越高的情況下，SiC的特性會(huì)越發(fā)體現(xiàn)出來(lái)，可以越節(jié)能。

（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第9期第79頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）