聊聊 SiC 的那些事儿~

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       最近,第三代宽禁带半导体的碳化硅 SiC 被提及的比较多,罗姆半导体公司等各大厂家也都在积极进行碳化硅产品的布局。功率半导体器件最为功率变换系统的核心器件,适用于高压低损耗的第三代宽禁带半导体的 SiC 器件未来可期!接下来我们就来聊聊 SiC 的那些事儿~

 

       据统计,2010 年世界平均电能的消耗与总电能消耗的比例约为 20%,这一比率仍在迅速地增长。能源效率的提高作为 21 世纪最为关注的问题之一,即减小电能转换中的功率损耗。


       我们知道,电力转换包括 AC-DC,DC-AC,DC-DC(电压转换)和 AC-AC(电压或频率转换),约束这些变换系统效率的主要因素便是其中半导体器件的性能,所以研究和发展功率半导体器件成为提高效率的关键手段。


       功率设备按电压等级可以分为低压、中压和高压等,详见下图:

 

 

       我们知道,目前功率半导体器件的主要材料是硅 Si,硅基的金属氧化物半导体场效应晶体管 MOSFET 和绝缘栅双极型晶体管 IGBT 经过这么多年的发展和提高,已经成为当今电力电子设备中的核心。但是,硅功率器件的技术已经相对成熟了,使得该技术的创新、更进一步突破显得没有那么容易。这时候,第三代半导体的出现便是偶然中的必然,而新事物的发展也需要相当长的一个过程!


       碳化硅 SiC 是具有独特物理和化学特性的 IV-IV 复合材料,Si 和 C 原子之间的牢固化学键使得其具有高硬度、化学惰性和高效的导热性;牢固的结合还为其提供了较宽的带隙和高的临界(击穿)电场强度。在许多的宽禁带半导体中,SiC 之所以这么出色,因为其宽掺杂范围(10^14~10^19/cm³)在 n- 和 p- 型中的控制相对容易。同时,SiC 能够形成二氧化硅 SiO2 作为天然氧化物的能力是其适用于器件制造的另一个优势。


       以上特性使 SiC 备受关注,但是任何新事物的发展并没有那么容易。SiC 的物理和化学稳定性使得其晶体生长极为困难,这也是其成本较高的因素之一。


       具有不同堆叠顺序的各种 SiC 晶体结构的存在也是其晶体生长的障碍。在众多晶体结构中,4H-SiC 成为功率器件的选择,因为其可以获得高质量的外延晶片和卓越的物理特性,比如高的击穿电场强度。下图是 4H-SiC 的晶体结构示意图:

 

 

       其中空心圆代表 Si,实心圆代表 C,这种结构表现为六边形结构,在晶胞内部具有四个 Si-C 双层。这种堆叠顺序是闪锌矿和纤锌矿结构的混合体,4H-SiC 是功率器件材料中默认的 SiC 晶体结构。


       下面我们再来看看室温下 Si 和 SiC 的主要物理特性:

 

 

       从上表中我们可以看出,SiC 带隙大三倍、击穿电场强度大约高十倍、热导率是 Si 的三倍 。其中,电子迁移率,平行方向的比垂直的高约 15%~20%,这有利于开发标准的垂直功率器件 SiC 晶片。


       就目前来说,SiC 和氮化镓 GaN 都属于宽禁带半导体,SiC 功率器件具有高品质的外延晶片以及比 GaN 更成熟的工艺技术,所以其在高压应用中更具吸引力。在大型硅晶片上异质外延生长的 GaN 基横向开关器件在相对低电压的应用中显示出很大的前景。当然,两者以及 Si 的发展还需要基于其生产设备以及工艺技术来评估。

 

       SiC 正乘风破浪,未来可期~

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