一、碳化硅的來(lái)源

碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑為原料經(jīng)過(guò)電阻爐高溫鍛煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦藏，莫桑石。 碳化硅又稱碳硅石。在今世C、N、B等非氧化物高技本領(lǐng)火原猜中，碳化硅為運(yùn)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的一種。能夠稱為金鋼砂或耐火砂。

碳化硅因?yàn)榛瘜W(xué)功能安穩(wěn)、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨功能好，除作磨料用外，還有許多其他用處，例如：以特別工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可進(jìn)步其耐磨性而延伸運(yùn)用壽命1～2倍；用以制成的高檔耐火資料，耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高，節(jié)能作用好。低等第碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加速煉鋼速度，并便于操控化學(xué)成分，進(jìn)步鋼的質(zhì)量。此外，碳化硅還許多用于制作電熱元件硅碳棒。

碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級(jí)，僅次于世界上最硬的金剛石（10級(jí)），具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱功能，是一種半導(dǎo)體，高溫時(shí)能抗氧化。

碳化硅進(jìn)程表

1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅

1907年 第一只碳化硅晶體發(fā)光二極管誕生

1955年 理論和技能上重大打破，LELY提出成長(zhǎng)高品質(zhì)碳化概念，從此將SiC作為重要的電子資料

1958年 在波士頓舉行第一次世界碳化硅會(huì)議進(jìn)行學(xué)術(shù)交流

1978年 六、七十年代碳化硅首要由前蘇聯(lián)進(jìn)行研討。到1978年初次選用“LELY改進(jìn)技能”的晶粒提純成長(zhǎng)辦法

1987年～至今以CREE的研討效果樹立碳化硅出產(chǎn)線，供貨商開端供給商品化的碳化硅基。

2001年德國(guó)Infineon公司推出SiC二極管產(chǎn)品，美國(guó)Cree和意法半導(dǎo)體等廠商也緊隨其后推出了SiC二極管產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無(wú)線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。

二、碳化硅器材的優(yōu)勢(shì)特性

碳化硅（SiC）是現(xiàn)在開展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體資料，世界各國(guó)對(duì)SiC的研討十分重視，紛繁投入許多的人力物力積極開展，美國(guó)、歐洲、日本等不僅從國(guó)家層面上擬定了相應(yīng)的研討規(guī)劃，并且一些世界電子業(yè)巨頭也都投入巨資開展碳化硅半導(dǎo)體器材。

與一般硅比較，選用碳化硅的元器材有如下特性：

高壓特性

碳化硅器材是平等硅器材耐壓的10倍

碳化硅肖特基管耐壓可達(dá)2400V。

碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管耐壓可達(dá)數(shù)萬(wàn)伏，且通態(tài)電阻并不很大。

高溫特性

在Si資料現(xiàn)已挨近理論功能極限的今日，SiC功率器材因其高耐壓、低損耗、高功率等特性，一向被視為“抱負(fù)器材”而備受等待?？墒牵嚓P(guān)于以往的Si原料器材，SiC功率器材在功能與本錢間的平衡以及其對(duì)高工藝的需求，將成為SiC功率器材能否真實(shí)遍及的要害。

現(xiàn)在,低功耗的碳化硅器材現(xiàn)已從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了有用器材出產(chǎn)階段?，F(xiàn)在碳化硅圓片的價(jià)格還較高,其缺點(diǎn)也多。經(jīng)過(guò)不斷的研討開發(fā),估計(jì)到2010年前后,碳化硅器材將操縱功率器材的商場(chǎng)。但實(shí)際上并非如此。

三、最受重視的碳化硅MOS

SiC器材分類

SiC-MOSFET

SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器材研討中最受重視的器材。效果比較突出的就是美國(guó)的Cree公司和日本的ROHM公司。

在Si資料現(xiàn)已挨近理論功能極限的今日，SiC功率器材因其高耐壓、低損耗、高功率等特性，一向被視為“抱負(fù)器材”而備受等待?？墒牵嚓P(guān)于以往的Si原料器材，SiC功率器材在功能與本錢間的平衡以及其對(duì)高工藝的需求，將成為SiC功率器材能否真實(shí)遍及的要害。

碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)

碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源區(qū)和P井摻雜都是選用離子注入的辦法，在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活。另一個(gè)要害的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的構(gòu)成。因?yàn)樘蓟璨牟轮幸黄鹩蠸i和C兩種原子存在，需求十分特別的柵介質(zhì)成長(zhǎng)辦法。其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)如下：

平面vs溝槽

SiC-MOSFET選用溝槽結(jié)構(gòu)可最大極限地發(fā)揮SiC的特性。

碳化硅MOS的優(yōu)勢(shì)

硅IGBT在一般狀況下只能作業(yè)在20kHz以下的頻率。因?yàn)樵獾劫Y料的約束，高壓高頻的硅器材無(wú)法完成。碳化硅MOSFET不僅合適于從600V到10kV的廣泛電壓規(guī)模，一起具有單極型器材的杰出開關(guān)功能。比較于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的狀況具有更低的開關(guān)損耗和更高的作業(yè)頻率。

20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗能夠比3kHz的硅IGBT模塊低一半， 50A的碳化硅模塊就能夠替換150A的硅模塊。顯現(xiàn)了碳化硅MOSFET在工作頻率和功率上的巨大優(yōu)勢(shì)。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時(shí)刻trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器材，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只需平等電壓標(biāo)準(zhǔn)硅基MOSFET的5%。關(guān)于橋式電路來(lái)說(shuō)（特別當(dāng)LLC變換器作業(yè)在高于諧振頻率的時(shí)分），這個(gè)方針十分要害，它能夠減小死區(qū)時(shí)刻以及體二極管的反向恢復(fù)帶來(lái)的損耗和噪音，便于進(jìn)步開關(guān)工作頻率。

碳化硅MOS管的作用

碳化硅MOSFET模塊在光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車及軌道交通等中高功率電力體系運(yùn)用上具有巨大的優(yōu)勢(shì)。碳化硅器材的高壓高頻和高功率的優(yōu)勢(shì)，能夠打破現(xiàn)有電動(dòng)汽車電機(jī)規(guī)劃上因器材功能而遭到的約束，這是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車電機(jī)范疇研制的要點(diǎn)。如電裝和豐田合作開發(fā)的混合電動(dòng)汽車（HEV）、純電動(dòng)汽車（EV）內(nèi)功率操控單元（PCU），運(yùn)用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。三菱開發(fā)的EV馬達(dá)驅(qū)動(dòng)體系，運(yùn)用SiC MOSFET模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊集成到了電機(jī)內(nèi)，完成了一體化和小型化方針。估計(jì)在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛運(yùn)用在國(guó)內(nèi)外的電動(dòng)汽車上。

四、碳化硅肖特二極管

碳化硅肖特基二極管

碳化硅肖特基二極管結(jié)構(gòu)

碳化硅肖特基二極管（SiC SBD）的器材選用了結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管結(jié)構(gòu)（JBS），能夠有效降低反向漏電流，具有更好的耐高壓才能。

碳化硅肖特基二極管優(yōu)勢(shì)

碳化硅肖特基二極管是一種單極型器材，因而比較于傳統(tǒng)的硅快恢復(fù)二極管（Si FRD），碳化硅肖特基二極管具有抱負(fù)的反向恢復(fù)特性。在器材從正導(dǎo)游通向反向阻斷變換時(shí)，簡(jiǎn)直沒(méi)有反向恢復(fù)電流（如圖1.2a），反向恢復(fù)時(shí)刻小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)時(shí)刻在10ns以內(nèi)。因而碳化硅肖特基二極管能夠作業(yè)在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的功率。另一個(gè)重要的特點(diǎn)是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù)，跟著溫度的上升電阻也逐步上升，這與硅FRD正好相反。這使得碳化硅肖特基二極管十分合適并聯(lián)有用，增加了體系的安全性和可靠性。

歸納碳化硅肖特基二極管的首要優(yōu)勢(shì)，有如下特點(diǎn)：

1. 簡(jiǎn)直無(wú)開關(guān)損耗

2. 更高的開關(guān)頻率

3. 更高的功率

4. 更高的作業(yè)溫度

5. 正的溫度系數(shù)，合適于并聯(lián)工作

6. 開關(guān)特性簡(jiǎn)直與溫度無(wú)關(guān)

碳化硅肖特基二極管的運(yùn)用

碳化硅肖特基二極管可廣泛運(yùn)用于開關(guān)電源、功率要素校對(duì)（PFC）電路、不間斷電源（UPS）、光伏逆變器等中高功率范疇，可明顯的削減電路的損耗，進(jìn)步電路的作業(yè)頻率。在PFC電路頂用碳化硅SBD替代本來(lái)的硅FRD，可使電路作業(yè)在300kHz以上，功率根本堅(jiān)持不變，而比較下運(yùn)用硅FRD的電路在100kHz以上的功率急劇下降。跟著工作頻率的進(jìn)步，電感等無(wú)源原件的體積相應(yīng)下降，整個(gè)電路板的體積下降30%以上。

五、人們是怎么評(píng)估碳化硅的?

簡(jiǎn)直凡能讀到的文章都是這樣介紹碳化硅：

碳化硅的能帶距離為硅的2.8倍(寬禁帶),到達(dá)3.09電子伏特。其絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)為硅的5.3倍,高達(dá)3.2MV/cm.其導(dǎo)熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管,與相同耐壓的硅器材比較,其漂移電阻區(qū)的厚度薄了一個(gè)數(shù)量級(jí)。其雜質(zhì)濃度可為硅的2個(gè)數(shù)量級(jí)。由此,碳化硅器材的單位面 積的阻抗僅為硅器材的100分之一。它的漂移電阻簡(jiǎn)直就等于器材的悉數(shù)電阻。因而碳化硅器材的發(fā)熱量極低。這有助于削減傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，工作頻率一般也要比硅器材高10倍以上。此外，碳化硅半導(dǎo)體還有的固有的強(qiáng)抗輻射才能。

近年運(yùn)用碳化硅資料制作的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等功率器材,已可選用少子注入等工藝,使其通態(tài)阻抗減為一般硅器材的十分之一。再加上碳化硅器材自身發(fā)熱量小,因而碳化硅器材的導(dǎo)熱功能極優(yōu)。還有,碳化硅功率器材可在400℃的高溫下正常工作。其可運(yùn)用體積微小的器材操控很大的電流。工作電壓也高得多。

六、現(xiàn)在碳化硅器材開展?fàn)顩r怎么?

1，技能參數(shù)：舉例來(lái)說(shuō)，肖特基二極管電壓由250伏進(jìn)步到1000伏以上，芯片面積小了，但電流只需幾十安。工作溫度進(jìn)步到180℃，離介紹能達(dá)600℃相差很遠(yuǎn)。壓降更不盡人意，與硅資料沒(méi)有不同，高的正向壓降要到達(dá)2V。

2，商場(chǎng)價(jià)格：約為硅資料制作的5到6倍。

七、碳化硅(SiC)器材開展中的難題在哪里?

歸納各種報(bào)導(dǎo)，難題不在芯片的原理規(guī)劃，特別是芯片結(jié)構(gòu)規(guī)劃處理好并不難。難在完成芯片結(jié)構(gòu)的制作工藝。

舉例如下：

1，碳化硅晶片的微管缺點(diǎn)密度。微管是一種肉眼都能夠看得見的微觀缺點(diǎn)，在碳化硅晶體成長(zhǎng)技能開展到能徹底消除微管缺點(diǎn)之前，大功率電力電子器材就難以用碳化硅來(lái)制作。雖然優(yōu)質(zhì)晶片的微管密度已到達(dá)不超越15cm-2 的水平。但器材制作要求直徑超越100mm的碳化硅晶體，微管密度低于0.5cm-2 。

2，外延工藝功率低。碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在1500℃以上的高溫下進(jìn)行。因?yàn)橛羞M(jìn)步的問(wèn)題，溫度不能太高，一般不能超越1800℃，因而成長(zhǎng)速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產(chǎn)值較低。

3，摻雜工藝有特別要求。如用分散辦法進(jìn)行慘雜，碳化硅分散溫度遠(yuǎn)高于硅，此時(shí)掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用，并且碳化硅自身在這樣的高溫下也不安穩(wěn)，因而不宜選用分散法摻雜，而要用離子注入摻雜。如果p型離子注入的雜質(zhì)運(yùn)用鋁。因?yàn)殇X原子比碳原子大得多，注入對(duì)晶格的損害和雜質(zhì)處于未激活狀況的狀況都比較嚴(yán)重，往往要在適當(dāng)高的襯底溫度下進(jìn)行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來(lái)了晶片外表碳化硅分化、硅原子進(jìn)步的問(wèn)題?，F(xiàn)在，p型離子注入的問(wèn)題還比較多，從雜質(zhì)選擇到退火溫度的一系列工藝參數(shù)都還需求優(yōu)化。

4，歐姆觸摸的制作。歐姆觸摸是器材電極引出十分重要的一項(xiàng)工藝。在碳化硅晶片上制作金屬電極，要求觸摸電阻低于10- 5Ωcm2，電極資料用Ni和Al能夠到達(dá)，但在100℃ 以上時(shí)熱安穩(wěn)性較差。選用Al/Ni/W/Au復(fù)合電極能夠把熱安穩(wěn)性進(jìn)步到600℃、100h ，不過(guò)其觸摸比電阻高達(dá)10- 3Ωcm2 。所以要構(gòu)成好的碳化硅的歐姆觸摸比較難。

5，配套資料的耐溫。碳化硅芯片可在600℃溫度下作業(yè)，但與其配套的資料就不見得本領(lǐng)此高溫。例如，電極資料、焊料、外殼、絕緣資料等都約束了作業(yè)溫度的進(jìn)步。

以上僅舉數(shù)例，不是悉數(shù)。還有許多工藝問(wèn)題還沒(méi)有抱負(fù)的處理辦法，如碳化硅半導(dǎo)體外表挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態(tài)對(duì)碳化硅MOSFET器材的長(zhǎng)期安穩(wěn)性影響方面，行業(yè)中還有沒(méi)有到達(dá)共同的定論等，大大阻礙了碳化硅功率器材的快速開展。

八、為什么SIC器材還不能遍及？

早在20世紀(jì)60年代，碳化硅器材的長(zhǎng)處現(xiàn)已為人們所熟知。之所以現(xiàn)在沒(méi)有推廣遍及，是因?yàn)榇嬖谥S多包含制作在內(nèi)的許多技能問(wèn)題。直到現(xiàn)在SIC資料的工業(yè)運(yùn)用首要是作為磨料（金剛砂）運(yùn)用。

SIC在能夠操控的壓力規(guī)模內(nèi)不會(huì)消融，而是在約2500℃的進(jìn)步點(diǎn)上直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。所以SIC 單晶的成長(zhǎng)只能從氣相開端，這個(gè)進(jìn)程比SIC的成長(zhǎng)要復(fù)雜的多，SI在大約1400℃左右就會(huì)熔化。使SIC技能不能獲得商業(yè)成功的首要妨礙是缺少一種合適的用于工業(yè)化出產(chǎn)功率半導(dǎo)體器材的襯底資料。對(duì)SI的狀況,單晶襯底經(jīng)常指硅片（wafer）,它是從事出產(chǎn)的前提和確保。一種成長(zhǎng)大面積 SIC襯底的辦法以在20世紀(jì)70年代末研制成功?？墒怯酶倪M(jìn)的稱為L(zhǎng)ely辦法成長(zhǎng)的襯底被一種微管缺點(diǎn)所困擾。

只需一根微管穿過(guò)高壓PN結(jié)就會(huì)損壞PN結(jié)阻斷電壓的才能，在曩昔三年中，這種缺點(diǎn)密度已從每平方毫米幾萬(wàn)根降到幾十根。除了這種改進(jìn)外，當(dāng)器材的最大尺度被約束在幾個(gè)平方毫米時(shí)，出產(chǎn)成品率可能在大于百分之幾，這樣每個(gè)器材的最大額定電流為幾個(gè)安培。因而在SIC功率器材獲得商業(yè)化成功之前需求對(duì)SIC的襯底資料作更大技能改進(jìn)。

SIC工業(yè)出產(chǎn)的晶片和最佳晶片的微管密度的開展

制作不同器材成品率為40% 和90% 的微管密度值

上圖看出，現(xiàn)在SIC資料，光電子器材已滿足要求，現(xiàn)已不受資料質(zhì)量影響，器材的工業(yè)出產(chǎn)成品率，可靠性等功能也符合要求。高頻器材首要包含MOSFET SCHOTTKY二極管內(nèi)的單極器材。SIC資料的微管缺點(diǎn)密度根本到達(dá)要求，僅對(duì)成品率還有必定影響。高壓大功率器材用SIC資料大約還要二年的時(shí)刻，進(jìn)一步改進(jìn)資料缺點(diǎn)密度?？傊徽摤F(xiàn)在存在什么困難，半導(dǎo)體怎么開展， SIC無(wú)疑是新世紀(jì)一種充滿希望的資料。

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