什么是SiC？優勢有哪些？為什么要用SiC做器件？

SiC 是第三代寬禁帶半導體材料，在禁帶寬度、擊穿場強、電子飽和漂移速度等 物理特性上較 Si 更有優勢。

1.什么是 SiC

半導體材料按被研究和規模化應用的時間先后順序通常分為三代。 第一代：20 世紀 40 年代，硅（Si）、鍺（Ge）開始應用，硅的自然儲量大、制 備工藝簡單，是當前產量最大、應用最廣的半導體材料，應用于集成電路，涉及 工業、商業、交通、醫療、軍事等人類生產生活的各個環節，但在高頻高功率器 件和光電子器件應用上存在較大瓶頸。 第二代：20 世紀 60 年代，砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）在光電子、微電子、 射頻領域被用以制作高速高頻、大功率以及發光電子器件，能夠應用于衛星通信、 移動通信、光通信、GPS 導航等。由于 GaAs、InP 材料資源稀缺、價格昂貴、 有毒性、污染環境，使得第二代半導體材料的應用具有一定的局限性。 第三代：20 世紀 80 年代，碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石（C）等為 代表的寬禁帶（Eg＞2.3eV）半導體迅速發展，具有擊穿電場高、熱導率高、電 子飽和速率高、抗輻射能力強等優勢，滿足高電壓、高頻率場景，應用于高電壓 功率器件、5G 射頻器件等領域。

與 Si 材料相比，SiC 主要優勢在于： 1）SiC 具有 3 倍于 Si 的禁帶寬度，能減少漏電并提高耐受溫度。 2）SiC 具有 10 倍于 Si 擊穿場強，能提高電流密度、工作頻率、耐壓容量并減 低導通損耗，更適合高壓應用。 3）SiC 具有 2 倍于 Si 的電子飽和漂移速度，所以可工作頻率更高。 4）SiC 具有 3 倍于 Si 的熱導率，散熱性能更好，能夠支持高功率密度并降低散 熱要求，使得器件更輕量化。 因此，SiC 材料具有明顯的材料性能優勢，能滿足現代電子對高溫、高功率、高 壓、高頻、抗輻射等惡劣條件要求，適用于 5G 射頻器件和高電壓功率器件，滿 足新能源領域（光伏、儲能、充電樁、電動車等）對于輕量化、高能效、高驅動 力等要求。

2.我們為什么要用 SiC 做器件

SiC 器件包括二極管、晶體管和功率模塊。2001 年英飛凌最先發布 SiC JBS 產 品；2008 年 Semisouth 發布了第一款常關型的 SiC JFET 器件；2010 年 ROHM 公司首先量產 SiC MOSFET 產品；2011 年 Cree 公司開始銷售 SiC MOSFET 產品，2015 年 ROHM 繼續優化推出了溝槽柵 MOSFET。目前， SiC SBD 二極管和 MOSFET 晶體管目前應用最廣泛、產業化成熟度最高，SiC IGBT 和 GTO 等器件由于技術難度更大，仍處于研發階段，距離產業化有較大 的差距。

SiC 器件因其材料特性表現優越電氣性能： 1）導通、開關/恢復損耗更低： 寬帶隙使得 SiC 器件漏電流更少，并且在相同耐壓條件下，SiC 器件的導通電阻約為硅基器件的 1/200，因此導通損耗更低； Si FRD 和 Si MOSFET 從正向偏置切換到反向偏置的瞬間會產生極大的瞬態 電流，過渡到反向偏置狀態會產生很大損耗。而 SiC SBD 和 SiC MOSFET 是 多數載流子器件，反向恢復時只會流過結電容放電程度的較小電流。并且，該瞬 態電流幾乎不受溫度和正向電流的影響，無論在何種環境條件下都可以實現穩定 快速（小于 20ns）的反向恢復。根據 ROHM，SiC MOSFET+SBD 的模組可 以將開通損耗（Eon）減小 34%，因此恢復損耗低； SiC 器件在關斷過程中不存在電流拖尾現象，根據 ROHM ， SiC MOSFET+SBD 的模組可以將關斷損耗（Eoff）減小 88%，因此開關損耗更低。

2）器件得以小型化： SiC 禁帶寬度決定了它能夠以更高的摻雜濃度、更薄的膜厚漂移層制作出 600V 以上的高壓功率器件（對于相同耐壓的產品、同樣的導通電阻，芯片尺寸更小）； SiC 飽和電子漂移速率高，所以 SiC 器件能實現更高的工作頻率和更高的功率 密度，因頻率的提升減少了電感、變壓器等外圍組件體積，從而降低了組成系統 后的體積及其他組件成本。 SiC 帶隙寬并且導熱率顯著，不僅在高溫條件下也能穩定工作，器件散熱更容易， 因此對散熱系統要求更低。

3）SiC 器件熱穩定： SiC SBD 與 Si FRD 開啟電壓都小于 1V，但 SiC SBD 的溫度依存性與 Si FRD 不同：溫度越高，導通阻抗就會增加，VF 值會變大，不易發生熱失控，提升系 統的安全性和可靠性。同等溫度條件下，IF=10A 時 SiC 與硅二極管正向導通電 壓比對，SiC 肖特基二極管的導通壓降為 1.5V，硅快速恢復二極管的導通壓降 為 1.7V,SiC 材料性能好于硅材料。 此外，Si MOSFET 的漂移層電阻在溫升 100℃時會變為原來 2 倍，但 SiC MOSFET 的漂移層電阻占比小，其他電阻如溝道電阻在高溫時會稍微下降，n+ 基板的電阻幾乎沒有溫度依存性，因此在高溫條件下導通電阻也不容易升高。

超越摩爾定律，新材料是突破路徑之一。硅基器件逼近物理極限，摩爾定律接近 效能極限。SiC 器件作為功率器件材料端的技術迭代產品出現，能夠克服硅基無 法滿足高功率、高壓、高頻、高溫等應用要求的缺陷。