简要剖析SiC

标签:SiC碳化硅
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近年来,全球对电力的需求逐年增长。伴随着化学燃料的枯竭和CO2排放量增多引发的全球变暖现象,人们对能源问题和地球环境问题的担忧日益加深。现如今,电力的有效利用已成为当务之急。其中,碳化硅功率元器件作为新一代"环保元器件",正备受业界关注。

 SiC

       碳化硅(SiC,下文中的碳化硅简称为SiC)一经问世就开始大展拳脚,在电源、汽车、铁路、工业设备、家用消费类电子设备等领域皆取得了显著的成效。SiC是一种由硅(Si)和碳(C)构成的化合物半导体材料,带隙是Si的3倍,在器件制作时可以在较宽范围内控制必要的p 型、n 型,所以被认为是一种超越Si极限的功率器件用材料。SiC中存在各种多型体(结晶多系),它们的物性值也各不相同。用于功率器件制作的话,4H‐SiC为合适不过。由于SiC天然含量甚少,故来源方式多为人造。常见的方法是将石英砂与焦炭混合,利用其中的二氧化硅和石油焦,加入食盐和木屑,置入电炉中,加热到2000°C左右高温,经过各种化学工艺流程后得到SiC微粉。与他的"兄弟"Si半导体相比,SiC功率元件绝缘击穿电场强度高约10倍,可达几千V的高耐压,另外单位面积的导通电阻非常低,可降低功率损耗。

 

SiC的应用:

 

 

SiC-SBD(碳化硅-肖特基势垒二极管)
开发出采用SiC材料的SBD,适用于PFC电路和逆变电路。具有Si-FRD无法达到的极短反向恢复时间。因为Total Capacitive Charge(Qc)小、可以降低开关损失,实现高速开关。而且,Si快速恢复二极管的trr会随着温度上升而增大,而SiC则可以维持大体一定的特性。

 

SiC肖特基二极管

 

 

SiCMOSFET
SiC
晶体管虽然以及开始产品化,但还不如SiC二极管那样普及,只在很少的用途得到了采用。这是因为,晶体管比二极管的制造工艺复杂,所以成品率低、价格高。SiCMOSFET可同时实现硅元器件无法实现的高速开关和低导通电阻,高温下也具备优良的电气特性。开关时的差动放大电流原则上是没有的,所以可以高速运作,开关损失降低。 小尺寸芯片的导通电阻低,所以实现低容量・低门极消耗。 Si产品随温度的上升导通电阻上升2倍以上,SiC的导通电阻上升小,可以实现整机的小型化和节能化。

SiCMOSFET

 

     

SiC制BJT
SiC双极结型晶体管(BJT)方面,已经公开发布了若干提高电流放大率的研发成果。电流放大率越高,越能以小电流开关BJT,有望缩小BJT控制电路的尺寸。BJT虽然具有导通电阻小等优点,但由于是电流控制型,存在BJT控制电路容易增大的课题。

BJT 

 

SiC功率模块
内置的功率半导体元件全部由SiC构成,与Si(硅)材质的IGBT模块相比,可大幅降低开关损耗。 内置SiC-SBD、SiC-MOSFET,与传统的Si-IGBT相比,在100KHz以上的高频环境下工作成为可能。 要想最大限度发挥新一代功率半导体的实力,封装技术也至关重要。除封装材料和接合材料的耐热温度外,还存在散热能力等技术方面的课题。进入2012年后,解决了上述课题的SiC模块开始产品化。全SiC量产模块最初只有额定电压为1200V、额外电流为100A的一款产品,但通过高速开关和低损耗化,可以替换额定电流为200~400A的Si制IGBT模块。

 SiC功率模块

      现今半导体产业如火如荼,正步入黄金发展期,新能源汽车行业也在风口起舞,这些新市场的开拓都会给SiC带来机遇。因此,SiC相关材料的前景不可限量。

 

 

下列是近期一些罗姆的SIC新产品:

碳化硅功率模块:BSM250D17P2E004 (新产品)

碳化硅功率MOSFET:SCT3017ALHR (新产品)

碳化硅功率MOSFET:SCT3022ALHR (新产品)

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究竟是什么支撑着SiC的霸主地位?

随着科技产品的更新换代,科技产物所使用的原材料当然也将接受不同的命运。或被废弃;或被淘汰;或被改良;又或是与其他材料碰撞以研究出新的材料。而在这其中,SiC为何能在半导体材料中的地位经久不衰?或许这跟SiC本身强大的适应力和优点以及性价比有关。

纳米碳化硅好是好,可要如何制备提取还是个问题

SiC纳米材料具有高的禁带宽度,高的临界击穿电场和热导率,小的介电常数和较高的电子饱和迁移率,以及抗辐射能力强,机械性能好等特性,成为制作高频、大功率、低能耗、耐高温和抗辐射器件的电子和光电子器件的理想材料。SiC 纳米线表现出的室温光致发光性,使其成为制造蓝光发光二极管和激光二极管的理想材料。

或将有新的动态功率MOSFET模型可确定最大器件工作频率

改进的SiCMOSFET具有高 HF-FOM的可实现前所未有的高频 MHz 开关。但是,其他SiC-MOSFET 参数(如输入电容和总栅极电阻)决定了最大开关频率的"理论极限",并且经常被考虑。当栅极电压的传播时间接近开关周期时,后一种参数直接影响"实时"动态上电阻。为了正确描述 MHz 开关性能,使用经过修改的"输入 RC 时间常数"分析计算最小开关 times,该分析包含一个与时间相关的活动区域。

SiC的“硅格魅力”

碳化硅这种材料,在自然界是没有的,必须人工合成,结果必然是成本远远高于可以自然开采的材料。碳化硅升华熔点约2700度,且没有液态,只有固态和气态,因此注定不能用类似拉单晶的切克劳斯基法(CZ法)制备。目前制备半导体级的高纯度碳化硅单晶,主要为Lely 改良法,有三种技术路线,物理气相运输法(PVT)、溶液转移法(LPE)、高温化学气相沉积法(HT-CVD)。

简要剖析SiC

近年来,全球对电力的需求逐年增长。伴随着化学燃料的枯竭和CO2排放量增多引发的全球变暖现象,人们对能源问题和地球环境问题的担忧日益加深。现如今,电力的有效利用已成为当务之急。其中,碳化硅功率元器件作为新一代"环保元器件",正备受业界关注。