各种SiC功率器件的研究和开发进入迅速发展时期

各种SiC功率器件的研究和开发进入迅速发展时期

上世纪四五十年代，以硅(Si)和锗(Ge)为代表的第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。经过几十年的发展，硅材料的制备与工艺日臻完美，Si基器件的设计和开发也经过了多次迭代和优化，正在逐渐接近硅材料的极限，Si基器件性能提高的潜力愈来愈小。现代电子技术对半导体材料提出了高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等新要求，而宽带隙第三代半导体材料SiC拥有非常高的击穿场强、卓越的开关性能和良好的热导率，极其适合下一代电源转换应用，如太阳能逆变器、UPS、电动汽车和工业传动等。

SiC功率器件的研发始于1970年代，80年代SiC晶体质量和制造工艺获得大幅改进，随着90年代高品质6H-SiC和4H-SiC外延层生长技术的成功应用，各种SiC功率器件的研究和开发进入迅速发展时期。

SiC是由硅和碳组成的化合物半导体材料，C原子和Si原子不同的结合方式使SiC拥有多种晶格结构，如4H,6H,3C等等。4H-SiC因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，常被用来做功率器件。下表是4H-SiC与Si物理特性对比。我们可以清楚地看到4H-SiC禁带宽度为Si的3倍，击穿场强为Si的10倍，漂移率为Si的2倍，热导率为Si 的2.5倍。这些优异的特性是如何带来功率器件的改变呢？我们接下来分三个方面详细地分析一下。

击穿电压与通态电阻

击穿电压是功率器件的一个重要指标。功率开关器件的正向电压承受能力与其漂移区的长度和电阻率有关，而单极功率开关器件的通态电阻又直接决定于漂移区的长度和电阻率，与其制造材料击穿电场强度的立方成反比。因为4H-SiC有10倍于Si的击穿电场强度，因此基于SiC的功率器件允许使用更薄的漂移区来维持更高的阻断电压，从而显著降低了正向压降以及导通损耗。由下图可见，如果要获得5000V的耐压，使用掺杂为2.5e13/cm3的衬底材料，Si基功率器件需要漂移层厚度0.5mm，单位面积电阻为10Ωcm2；SiC MOSFET使用掺杂为2.0e15/cm3的漂移层，需要的厚度仅有0.05mm，单位面积电阻仅为