碳化硅（SiC）器件

碳化硅（SiC）材料相比于硅材料来说具有许多重要的特性：更高的击穿电场强度（2-4） 106 V/cm；其最高结温可达600 oC 等。众所周知，半导体材料的特性对其构成的电子器件的表现起着至关重要的作用, 利用适当的优良指数可以对SiC和Si以及其他的普通半导体的理论特性进行一个比较。图6显示了以Si材料为归一基准的各种半导体材料的各种优良指数对比图：其中Johnson优良指数（JFM）表示器件高功率、高频率性能的基本限制；KFM表示基于晶体管开关速度的优良指数；质量因子1（QF1）表示电力电子器件中有源器件面积和散热材料的优良指数；QF2则表示理想散热器下的优良指数；QF3表示对散热器及其几何形态不加任何假设状况下的优良指数；Baliga优良指数BHFM则表示器件高频应用时的优良指数。图6表明SIC材料具有比硅材料综合的优良特性。高压Si器件通常用于结温在200℃以下的情况，阻断电压限制在几千伏。由于较宽的能带隙，SiC拥有较高的击穿电场和较低的本征载流子浓度，这都使得器件能在高电压、高温下工作。SiC还由于有较高的饱和迁移速度和较低的介电系数，使得SiC器件具有好的高频特性。文章来源：http://www.igbt8.com/jc/276.html

图6 不同半导体材料的各种优良指数比较

近年来，作为一种新型的宽禁带半导体材料，碳化硅因其出色的物理及电特性，正越来越受到产业界的广泛关注。碳化硅电力电子器件的重要系统优势在于具有高压(达数万伏)高温(大于500 ℃)特性，突破了硅基功率半导体器件电压(数kV)和温度(小于150 ℃)限制所导致的严重系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步，各种碳化硅电力电子器件被研发出来，由于受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅电力电子器件率先在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在（600~1700）V。随着技术的进步，高压碳化硅器件已经问世，并持续在替代传统硅器件的道路上取得进步。随着高压碳化硅电力电子器件的发展，已经研发出了19.5 kV 的碳化硅二极管[10]，3.1kV[11]和4.5kV 的门极可关断晶闸管(GTO)[12]，10 kV

的碳化硅MOSFET[13] 和 (13~15) kV[14-15]碳化硅IGBT 等。

碳化硅器件已经在诸如高电压整流器以及射频功率放大器等领域有了商业应用。它们的研发成功以及未来可能的产业化，将在高压领域开辟全新的应用。在过去的15 年中，碳化硅器件在材料和器件质量方面均取得了令未来应用市场瞩目的飞速发展。然而，目前碳化硅晶体缺陷和碳化硅晶片的高昂成本是其在电力电子器件上应用的一个主要制约因素，要生产电流和电压范围适用于中压驱动应用场合的器件的碳化硅材料和器件目前还相当困难。尽管如此，碳化硅还是将来代替硅材料的最有前途的材料。

图7 各类SiC二极管的通态电阻与阻断电压关系

然而，甚高压二极管一般主要应用于电流在100A以上的情况中。这就要求芯片面积在1 2 cm 等级范围内，考虑到SiC晶片衬底存在的诸如微管、螺旋和边缘位错、低角度晶界等晶体缺陷问题，此类甚高压二极管的商业化生产必需解决了前述这些晶体缺陷问题后才有可能。

图8是美国Cree公司和我国山东天岳公司SiC晶片微管缺陷密度改善趋势图。图9是SiC半导体材料和器件发展过程示意图[18]。图10是SiC电力电子器件价格发展的示意图。图11是对SiC电力电子器件市场的预测。

a) Cree公司4英寸4H-SiC外延片的产量和SiC晶片微管缺陷 密度改善趋势图

b) 山东天岳公司SiC晶片微管缺陷密度改善趋势图
图8 美国Cree公司和我国山东天岳公司SiC晶片微管缺陷密度改善趋势图

图9 SiC半导体材料和器件发展过程示意图

图10 SiC电力电子器件价格发展的示意图

图11 SiC电力电子器件市场预测