碳化硅功率器件应用领域，碳化硅功率器件及应用

很多朋友对碳化硅功率器件应用领域，碳化硅功率器件及应用不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

碳化硅（SiC）半导体材料是继第一代元素半导体材料（Si、Ge）和第二代化合物半导体材料（GaAs、GaP、InP等）之后发展起来的第三代半导体材料。碳化硅作为宽禁带半导体材料，具有禁带大、击穿场强高、热导率大、载流子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性好等优点。利用诸如此类的特性，可以制造各种耐高温的高频大功率器件，可以用于硅器件难以发挥的场合，或者产生硅器件难以产生的效果。一般应用。

一、碳化硅材料的特点

SiC材料的显着特点是均质、多类型。制造器件最常用的材料是4H-SiC 和6H-SiC。如表1所示，与传统半导体材料，如Si、GaAs等相比，SiC材料具有更高的热导率（3~13倍），使得SiC器件能够在高温下长期稳定工作；较高的临界击穿电场（420倍）和较大的载流子饱和率有利于提高器件的工作频率。

2.SiC材料制备

制备SiC单晶最常用的方法是物理气相传输（PVT），占晶圆供应量的90%以上。此外，高温化学气相沉积（CVD）变得越来越重要，因为这种方法可以生产杂质含量极低的铸锭。同时，两种方法都可以应用于SiC外延的制备。 20世纪50年代，Lely使用两层石墨舟将外坩埚加热到2500C。 SiC通过内层的多孔石墨升华，进入内层形成晶体。 20 世纪70 年代末，Tairrov 和Tsvetkov 改进了Lely 方法。 SiC 源位于石墨舟的底部。底部温度达到2200。顶部温度较低，放置晶种。温度梯度为20~40/cm。这种方法也称为PVT。

由于SiC单晶制备难度大、成本高，SiC外延生长在SiC器件技术中发挥着重要作用。对于不同的衬底，SiC外延生长可分为两种类型：以SiC为衬底的同质外延生长和以Si和蓝宝石为衬底的异质外延生长。自大直径SiC晶圆商业化以来，SiC同质外延生长技术迅速发展。 SiC同质外延生长主要采用以下方法：升华或物理气相传输（PVT）、分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）和化学气相沉积（CVD）。

分子束外延蒸发原材料并将其作为分子束传输到预热的旋转基板上。该方法可以提供高纯度质量、高精度厚度和低温（600~1200）的外延层。液相外延是一种相对简单且低成本的生长方法。生长发生在三相平衡线上。然而，该方法很难很好地控制外延层的表面形貌，这限制了LPE的使用。

在化学气相沉积方法中，基材被放置在旋转且加热的石墨托盘上。气相分子束扩散到基材表面并分解。它们被衬底表面吸收并与表面反应形成外延层。该方法是目前SiC衬底生产的主要外延工艺。

3.SiC功率器件及应用

SiC功率器件主要包括功率二极管（SBD、PiN等）、单极功率晶体管（MOSFET、JFET、SIT等）和双极载流子功率晶体管（BJT、GTO等）。

3.1 功率二极管

肖特基势垒二极管（SBD）作为单极型器件，在导通过程中没有额外的载流子注入和存储，因此基本不存在反向恢复电流。其关断过程非常快，开关损耗很小。由于碳化硅材料的临界雪崩击穿电场强度高，可产生超过1000V的反向击穿电压。在3kV以上整流应用领域，由于SiC PiN二极管比Si器件具有更快的开关速度、高结温耐受性、高电流密度和更高的功率密度，因此SiC PiN二极管广泛应用于电力设备、储能、电力设备等领域。超高压固态电源发挥着更为重要的作用。

3.2 单极功率晶体管

碳化硅MOSFET的突出优点是：导通电阻小；电容小，开关速度快；驱动电路简单；正温度系数，易于并联。因此，碳化硅MOSFET的应用可以提高系统效率、降低散热要求、提高开关频率、增加雪崩强度。这些优点决定了其在太阳能转换器、高压DC/DC转换器、电机驱动等领域的广泛应用。由于SiC MOSFET存在沟道电子迁移率和SiO2层击穿问题，因此SiC JFET作为没有肖特基接触和MOS接口的单极器件而具有吸引力。 SiC JFET具有优异的特性和结构以及相对简化的制造工艺。 SiC JFET产品分为常开沟道型（常开）和常关沟道型（常关）两种类型。常关通道类型可以匹配现有的标准栅极驱动芯片，而常关通道类型可以匹配现有的标准栅极驱动芯片。明渠型需要负压来维持关闭状态。 SIT（静电感应晶体管）主要用于大功率放大器和发射机以及功率调节设备中从超高频到微波频率的高功率转换。

3.3 双极载流子功率晶体管

SiC双极功率器件BJT的临界雪崩击穿电场强度是Si的10倍，Si BJT的二次击穿临界电流密度是Si BJT的100倍。不会出现Si BJT严重的二次击穿问题。此外，高临界雪崩击穿电场强度的材料优势也使得SiC BJT在相同阻断电压下比Si BJT具有更窄的基极面积和集电极面积，这对于提高电流增益和开关速度非常有利。SiC BJT主要分为外延发射极和离子注入发射极BJT。典型电流增益在10~50之间。与碳化硅功率MOS相比，碳化硅晶闸管的通态电流密度对于3kV以上的阻断电压可提高几个数量级，特别适合高压、高压等场合。高电流开关应用。碳化硅晶闸管的发展主要集中在GTO。目前阻断电压最大的GTO器件阻断电压为12.7kV。

SiC材料的优异特性和SiC功率器件巨大的性能优势激励着人们不断研发。随着大尺寸SiC晶圆生长技术和器件制造技术的发展，SiC功率器件将应用于民用和军用领域。应用更广泛。

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审稿人：唐子宏

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