SiC功率技术现状和大规模商业化的障碍

硅 （Si） 功率器件由于其低成本的批量生产、出色的起始材料质量、易于制造和经过验证的可靠性而在电力电子领域占据主导地位。尽管硅功率器件不断改进，但它们正在接近其工作极限，这主要是由于它们相对较低的带隙、临界电场和热导率会导致高传导和开关损耗以及较差的高温性能。碳化硅 （SiC） 的大带隙和临界电场允许具有更薄层的高压器件，从而降低电阻以及相关的传导和开关损耗。结合 SiC 的大热导率，通过简化的热管理，可以在高功率水平下高温运行。

此外，更薄的器件层和低比导通电阻允许减小电容的更小的形状因数。这可以在远高于硅的频率下高效运行，从而最大限度地减小无源系统组件的尺寸。因此，基于 SiC 的系统更高效、更轻、体积更小，并且具有成本竞争力（尽管器件成本高于 Si 器件），因为体积庞大的磁性元件和散热器被最小化。

在过去的二十年中，这些引人注目的效率和系统优势导致了重大的开发工作，SiC 平面和沟槽 MOSFET 和 JFET 可作为分立元件和电压范围为 650 至 1，700 V 的高功率模块从多家供应商处商业化。 目前，电力电子工程师可以选择 Si、SiC 和氮化镓 （GaN） 组件用于他们的系统。当然，在为应用和电压选择合适的材料器件时，有许多权衡：电流、频率、效率、温度和成本是重要的考虑因素。

图 1：Si、SiC 和 GaN 具有竞争力的电压范围

图 1显示了 Si、SiC 和 GaN 极具竞争力的电压范围。 硅可靠、坚固、便宜，并且能够在“较低”频率下进行大电流高效运行。它在 15 至 650V 范围内特别具有竞争力。GaN 以合理的成本提供高效的高频操作，因为它是在 CMOS 兼容的晶圆厂和代工厂中制造的，利用了硅制造的规模经济。GaN 器件是横向的——与具有垂直配置的 SiC 功率器件不同——这简化了封装和 IC 制造。

然而，横向配置实际上将操作限制在 ~650 V（一家 GaN 供应商提供 900 V 器件），而 SiC 是高于该额定电压的最佳解决方案。SiC 效率高，可在高电流和高频率下工作。虽然不完全兼容 CMOS，它是在硅晶圆厂中制造的，只需对额外的 SiC 专用设备进行少量资本投资。多个已建立的 Si 工艺已成功转移到 SiC，并且特定的 SiC 工艺在全球众多晶圆厂中处于成熟阶段。总体而言，碳化硅具有成本竞争力，因为它在成熟节点完全折旧的大容量硅晶圆厂进行加工，提供剩余的晶圆产能，最大限度地提高晶圆厂的利用率和利润。

审核编辑：符乾江