碳化硅半导体的介绍及发展前景

灵敏的，创新的
一些小型的，具有创新精神的公司往往会对先进技术产生促进作用。在SiC领域内， 一个这样的例子是Arkansas Power Electronics International Inc。APEI专攻对于使用 SiC器件作为核心技术的高性能功率电子系统的开发。APEI公司的总裁Alexander B. Lostetter博士说：“APEI公司特别关注那些用于极端环境（温度高于500℃或更高） 和/或具有很高功率密度的应用场合的技术。”
发展及前景
关于碳化硅的几个事件 1905 1905年 第一次在陨石中发现碳化硅 1907年 第一只碳化硅发光二极管诞生 1955年 理论和技术上重大突破，ＬＥＬＹ提出生长高品质碳化概念，从此将Ｓ IC作为重要的电子材料 1958年 在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流 1978年 六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。到1978年首次采用“ＬＥ ＬＹ改进技术”的晶粒提纯生长方法 1987年～至今以ＣＲＥＥ的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品 化的碳化硅基
Байду номын сангаас 图1 黑碳化硅
碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料 用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或 汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材 料，耐热震、体积小、重量轻而强度高,节能效果好。低品级碳化硅（含SiC约85％） 是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。 此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。 碳化硅的硬度很大，具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。
研究的结果证实了更高开关频率的可能性，在以前，更高的开关频率一直受限于纯 硅二极管的反向恢复损耗。Err限制了在减小开启损耗上的进一步发展。Skibinski解 释道：“硅模块的供给商推荐使用一个门电阻Rgate (例如25 ，来平衡IGBT的开启能 量损耗(Eon) 关断能量损耗(Eoff)。”然而对于SiC二极管，门电阻Rgate就可以省往不 用了。 他说：“SiC二极管能够降低总功率损耗(Eon+Err+Eoff)，这一特性仔驱动上的应用 有着潜伏优点。”首先，在使用同样的制冷系统的条件下，它可以达到4倍的开关 频率，可以使前置电磁滤波用具有更好的性能、更小的体积和更低的价格。或者， 你也可以保存现在的开关频率和制冷系统，这样就可以得到更高的效率和稳定性、 更低的损耗、更高的额定输出。降低的总功率损耗可以潜伏地降低制冷花费。 Yaskawa Electric是另一个采用SiC技术的驱动生产商，他把SiC技术应用于雷达屏幕 上。Yaskawa Electric总结SiC的基本的优点有：高工作温度、高开关速度、在导通和 开关模式下都具有更低的损耗，这些是驱动系统更加有效率。
日本小仓Yaskawa Electric公司研发实验室的IEEE的特殊会员Tsuneo J. Kume博士在 Control Engineering中说道：“这种低损耗的特性，加上高工作结温，是碳化硅器件 和制冷系统具有更小的体积，进而导致具有更高功率密度的驱动系统的成为可能。 而且，高频开关性能极大地改进了控制系统的响应和带宽。”Yaskawa公司正在与 先进的半导体生产商密切合作，例如Mitsubishi Semiconductors公司，只要技术成熟， 将会推出具有先进技术的SiC器件。据Kume说，这种技术正在为实际应用和质量作 进一步实验，使用这种新技术的驱动产品，暂时还没有开始开发。
于离散SiC结型场效应晶体管JFET（junction field-effect transistor）的运算放大器。 Lostetter说：“高结温减小了电子产品的热处理系统的体积，并使其可以工作与高功 率密度下。” SiC专家Swedish于2005年建立了另外一家活跃于SiC功率晶体管开发的小公司—— TranSiC AB，它是从斯德哥尔摩的Royal Institute of Technology (KTH)公司分离出来 的。最近TranSiC AB成功地完成了他的具有标准TO247封装的双极型晶体管的原型 论证。第一个模型BitSiC1206是一个1200V、6A的器件。 TranSiC公司的CEO BoHammarlund，提到芯片的封装很成功，打开和关断的开关性 能相比于同类产品也很优秀。公司从各种各样的货源购买SiC晶片和外部材料，但 是关键的芯片处理全部完成与KTH的实验室中。 Hammarlund解释道，BitSiC的产业封装是由一个经验丰富的外包公司完成的，但是 当客户是飞行员时，TranSiC公司可以提供短周期的快速封装，由于在这种应用场合 下，封装的价格和开发速度是有关的。
Rgate值，二极管反向恢复损耗Err实际上已经几乎减小到0（94%）。当Rgate=25 时GBT的Eon减小了37%，当Rgate=8绞保琁GBT的Eon减小了85%。
图2：Rockwell Automation 近期的调查显示，相对于全硅模块，Si-SiC混合模块可以 潜伏地减小功率损耗Eon和Err。为了便于比较，全硅模块的IGBT功率损耗En被规 格化为每一个单位3.3mJ。
以使SiC技术更加可行。一些专家预言，SiC技术的贸易化、产业化甚至军工应用将 在2到5年或者更远的时间内变成现实。
图1：APEI Inc.的这个功能齐全的基于SiC的3kW三相换流器原型，可以工作250℃ 以上的温度。
电机控制生产商对于SiC的发展特别有爱好，有些甚至与研究职员和半导体生产商 进行合作来促进SiC的发展。但是他们大多数都对这种协作关系闭口不谈。
SiC最初的成功应用和主要应用发光二极管，用于汽车头灯和仪表盘其他照明场合。 其他的市场包括开关电源和肖特基势垒二极管。将来会应用到包括混合动力车辆、 功率转换器（用于减小有源前置滤波器的体积）和交流/直流电机控制上。这些更 高要求的应用还没有贸易化，由于它们需要高质量的材料和大规模的生产力来降 低本钱。在全世界范围内，大量的研究经费投进到了公司、实验室和政府设施，
3：TranSiC的双极型碳化硅功率晶体管BitSiC1206，是一个已经和用户见面的6-A原 型。30-A原型的期间计划于2007年底面世 APEI公司已经开发、制造并测试了基于SiC技术的直流和交流电机驱动、单相合三 相换流器（额定功率为3kW和5kW）、直流到直流转换器。Lostetter介绍公司其他 方面的研究进展包括：高温封装技术，此技术使单一器件可以工作于500或500以上 的环境。还有基于SiC技术的模拟/数字低压电路控制，借此可以将电路集成到工作 于300℃以上的功率控制系统中，同样在开发中的还有可以工作于500℃温度下的基
SiC技术的促进者
Rockwell Automation公司标准驱动部分的顾问工程师Gary Skibinski博士说： “Rockwell Automation看到了这个新技术的潜伏优点并以为自己是SiC技术的促进者。 Rockwell公司也确定了SiC技术会如何融进其将来的贸易计划。对于一个领先的公 司，理解并接纳新兴技术是至关重要的。” 发展正在逐步进行。Skibinski举例道，在驱动模块的每个标准IGBT上附加一个SiC 功率二极管，作用如同变极飞轮二极管，作为进步生产力逻辑上的第一步；这种改 变其次将会应用于功率开关上。他说：“纯SiC驱动仍处于研发和原型论证阶段。” 相对于纯SiC模型（Si IGBT+反平行二极管开关）的进展，在近期对于Si-SiC混合型 功率模型（Si IGBT+贸易SiC二极管）的研究中，Rockwell公司在减少能量损耗和增 加载波频率上获得突破性进展。此模型总的功率损耗为Eon+Err+Eoff（见图2）。对 于Si或者SiC二极管，不管Rgate值如何变化，Eoff的值都不会变化，但是当使用SiC 二极管时，其他的两个功率损耗分量会因Rgate值的变化而发生变化。对于任何
介绍
碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。 碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。 碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、 B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。可以称为 金钢砂或耐火砂。 碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需 要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑 色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为 2840 3320kg/mm² 2840～3320kg/mm² .
概述
包括黑碳化硅和绿碳化硅，其中：黑碳化硅是以石英砂,石油焦和优质硅石为主要 原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉, 性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂， 通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉。 常 用的碳化硅磨料有两种不同[1]的晶体，一种是绿碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于 磨硬质含金工具。另一种是黑碳化硅，有金属光泽，含SiC 95%以上，强度比绿碳 化硅大，但硬度较低，主要用于磨铸铁和非金属材料。
中国主要产地
长白山脉、河南、青海、甘肃、宁夏、四川、贵州、湖北丹江口等地。
世界各国碳化硅企业分布
Superior石墨公司 石墨公司· 石墨公司 Electro磨料公司 ·BPI有限责任公司 ·Elmet公司 磨料公司 有限责任公司 公司 巴西圣－ 巴西圣－戈班集团公司 ·ESK-SIC公司 ·Navarro SIC公司 ·ZAC公司 公司 公司 公司 日本的Yakushima Denko和Pacific Rundum有限公司 日本的 和 有限公司
性质
分子式为SiC，其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，可作为磨料和其 他某些工业材料使用。工业用碳化硅于1891年研制成功，是最早的人造磨料。在陨 石和地壳中虽有少量碳化硅存在，但迄今尚未找到可供开采的矿源。 纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、 绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的 α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序 列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC.碳 化硅的工业制法是用优质石英砂和石油焦在电阻炉内炼制。炼得的碳化硅块，经破 碎、酸碱洗、磁选和筛分或水选而制成各种粒度的产品。 碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基本品种，都属α-SiC。①黑碳化硅含SiC 约98.5％，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、 石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。②绿碳化硅含SiC99％以上，自锐性好，大 多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。 此外还有立方碳化硅，它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体，用以制作的磨具适于轴 承的超精加工，可使表面粗糙度从Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。
碳化硅（SiC），作为一种新型半导体材料，具有潜伏的优点：更小的体积、更有 效率、完全往除开关损耗、低漏极电流、比标准半导体（纯硅半导体）更高的开 关频率以及在标准的125℃结温以上工作的能力。小型化和高工作耐温使得这些器 件的使用更加自如，甚至可以将这些器件直接置于电机的外壳内。
任何一种新技术都会经历由发展到成熟的过程，SiC也不例外。标准功率开关，如 尽缘栅双极型晶体管（IGBT），有很大的产品基础和优化的生产技术。而SiC却需 要投进大量经费和研发资金来解决材料题目和完善半导体制造技术。然而这种功 率开关器件，能够在正向导通大电流和反向截止千伏电压之间快速执行开关动作， 这样的性能是值得一试的。