简要剖析碳化硅

来源：罗姆半导体社区

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。

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。

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。

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。

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。

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。

审核编辑黄宇