碳化硅（SiC）下一步需要做什么？

gaosmile

导言：本文展望了碳化硅（SiC）下一步需要做什么、将在何种领域应用以及如何成为功率器件的主导力量。

短短三年时间，作为一种新型半导体技术，碳化硅（SiC）已发展成为可与硅技术“匹敌”的半导体技术。现如今，已进入了第三代半导体技术SiC，随着越来越多应用的落地其性能有着显著的增强。

随着电动汽车（EV）、可再生能源（renewableenergy）、5G以惊人的步伐创新升级，为了能够满足消费者和行业的需求，电源工程师越来越多地寻求在效率、成本和功能具有优势的新解决方案。

SiC于1893年在亚利桑那州（Arizona）的陨石残余物被Ferdinand Henri Moissan博士发现，而这种绝美的晶体被称之为是莫桑石（Moissanite）。这种可媲美钻石的碳硅石，甚至拥有更强的耐热性。如今，这种晶体已成为工业SiC晶片的基础，毋庸置疑这是非常成功的一种新型半导体产品。晶圆技术狂热者则更加关注这种晶石如何铸成“SiC晶圆棒”，并急迫想知道新材料下一步该如何“升职”成为主力半导体材料。

SiC被人称之为“第三代半导体材料”，究其历史，第一代以Si、Ge为代表、第二代以GaAs、InP III-V族化合物为代表、第三代以SiC、GaN为代表。第三代半导体材料用其优异的材料物理特性，为电子器件性能功耗和尺寸提供了更多的发挥空间。

当然，SiC天然含量既为“天赐”，天然含量必然极少，目前主要多为人造。

第三代半导体技术之SiC

首先，让我们回顾一下SiC的技术的现状及与传统硅解决方案的竞争优势。如下图1所示，与传统的硅技术相比，SiC拥有更好的基材特性，越靠近靠近边缘值越好。

图1. Si和SiC材料特性的比较图

具体来说，SiC的带隙更宽，因此拥有更高的临界击穿电压，电子速度更快，开关速度更加明显。在额定电压下，管芯尺寸可以更小，从而可具有低导通电阻，加之极好的导热性，从而拥有低损耗和低运行温度。另外，较小的裸片尺寸还减少了器件的电容，从而降低了开关功耗，SiC固有的高温性能降低了热应力。

UnitedSiC利用这种技术制造SiCFET，将SiC JFET与Si-MOSFET封装在同一栅极，可实现为快速、低功耗、高雪崩电流额定值和拥有短路自限电流的体二极管。SiC FET具有简单的栅极驱动器，可与早期型号的Si-MOSFET和IGBT兼容。因此，兼容性很强的它，可轻松地让老器件升级。

在高开关频率应用上，现在还可提供扁平的DFN8x8封装，这种封装可最大程度地减小引线电感，因此非常适合诸如LLC和全桥转换电路的硬开关和软开关应用。

迄今为止，UnitedSiC已有器件突破了UF3C的壁垒，是首款1200V、开尔文门连接4引脚TO-247封装下，RDS（ON）（译者注：指FET漏极D与源极导通时D、S间的电阻）低于10毫欧的SiC FET器件。

UnitedSiC中使用的SiC晶圆已发展到六英寸的尺寸，其规模经济性使其可与硅的价格水平保持一致，并在主流市场和尖端创新市场应用。

进一步改善SiC FET的驱动力

SiC FET已逐渐接近理想开关，但任何产品都需经过市场的“洗礼”，仍有许多要求需要实现。

电动汽车（EV）逆变器需要更高的效率以增加行驶距离、高功率DC/DC和大数据5G应用的AC/DC转换器需要最大程度减少功耗、占地面积和成本、工业需要更小型化、高效的电机驱动器……

这种需求仍然持续不断地产生，甚至“高效率、低功耗”已成为SiC加粗放大的头号标题。随着SiC的新应用开发，这种需求就逐渐凸显出来，诸如固态断路器本身在高电流下功耗就极低，明显优于使用扩展的安全操作区域（SOA）的SiC线性电源。

系统工程师也逐渐认识到减少尺寸和冷却要求的重要性，在同样的能源和硬件成本下，他们希望拥有更多的器件以及更广泛的应用设备，例如更高的电压和电流额定值以及更多的封装选项。

比较当前和可能的未来设备

低于10毫欧的设备在100V额定电压下并不具有可比较性，目前先进设备普遍是1200V电压的。如果管芯面积较大，则会导致高电容和随之而来的开关损耗，因此在1200V时低RDS（ON）并不会有什么效果。因此，使用商定的“性能因子”（FOM）（例如RDS（ON）.A），结合低电阻和开关损耗以及每个晶片裸片数量的限制，从而降低成本。

EOSS对于设备输出电容充电所需能量和降低开关损耗非常重要，同样，对于整体损耗来说，有效的FOM是RDS（ON）.EOSS。

碳化硅的参数改良

显而易见，对于SiC来说，利用关键的FOM相对于其他开关类型而言是一个巨大的进步，但如果想要更高的性能该如何？这还需要考虑其他可能与FOM改进相抵触的参数。

如下图2中所示，箭头指示了运动的方向，以寻求更好的性能。BV代表的是临界击穿电压，COSS是输出电容，Qrr是反向恢复电荷，ESW是开关的能量损失，DiodeSurge是体二极管效应峰值电流额定值，SCWT是短路耐受额定值，UIS是非钳位感性开关额定值，RthJ -C是外壳热阻结点。

图2.SiC FET特性及其发展方向：现今是蓝色，将来是橙色。

部分特性可叠加增强优势，例如较小的模具尺寸可降低COSS，从而降低ESW；而部分特性则需要权衡取舍，例如，减少芯片体积可能会导致UIS评级降低。不过，雪崩电流峰值不会受到这些因素影响，这是在低能量杂散电感过冲和雷电测试的典型结果。

但是，在电池和封装设计方面，许多组合在RSD（ON）上仍然还有改造的空间。尺寸减半后的裸片，COSS也将以相同的比例下降，并且ESW也会相应下降。通过对RDS（ON）进行相应的改进，可以使芯片更薄。UnitedSiC坚信，利用特性的调整将不会以牺牲额定电压为代价，并且额定电压将由750V标准电压等级升高至1700V。

虽然挑战仍然不断地浮现，诸如原材料要达到零缺陷和完美的平坦度的要求，但整体的良率在单片晶圆裸片数量增加和“交叉输出”上一直在提高。SiC实际来说，还是一个较为“年轻”的技术，与过去的MOSFET相同，这是一个需要技术逐渐沉淀的新技术，在成本和性能方面还仍有许多“慧根”。

SiC封装的演变

随着SiC FET器件的改进以及不同的应用领域的扩展，可以封装的选项也越来越多了。

目前，TO-247封装在业界宠爱有加，因为这种封装方式可直接替代传统的MOSFET和IGBT，并且许多栅极驱动是四引脚的开尔文链接。这有助于克服源极引线电感的影响，否则会导致漏极-源极di / dt较高而导通。D2PAK-3L和D2PAK-7L，TO-220-3L、TO247以及UnitedSiC最近推出的表面贴装薄型DFN8x8封装均经过优化，以最小的封装电感实现了高频工作。

未来，其他的SMD封装将被提供，其中大多数采用银烧结模压连接，以实现更好的热性能。模块中的多个SiC裸片也将变得更加广泛，单个裸片的额定电压可能高达1200V，而使用堆叠式“超级级联”排列以实现非常高的功率时，额定电压可能高达6000V或更高。这些器件通常用于固态变压器、MV-XFC快速充电器、风力发电系统、电力电拖和HVDC之中。

展望未来

电源领域的创新是迅速的，显而易见的是半导体开关需要顺应这种发展以符合市场期望。然而，采用新的性能基准，SiC可以遵循一条明确的道路来满足需求。UnitedSiC当前正在开发新设备，以应对越来越广泛的应用。

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