一、碳化硅的來源

碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑為原料經(jīng)(jīng)過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)(lǐng)火原猜中，碳化硅為運用最廣泛、最經(jīng)(jīng)濟(jì)的一種。能夠稱為金鋼砂或耐火砂。

碳化硅因為化學(xué)(xué)功能安穩(wěn)(wěn)、導(dǎo)(dǎo)熱系數(shù)(shù)高、熱膨脹系數(shù)(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)(nèi)壁，可進(jìn)步其耐磨性而延伸運用壽命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)(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)(xué)成分，進(jìn)步鋼的質(zhì)(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，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），具有優(yōu)(yōu)秀的導(dǎo)(dǎo)熱功能，是一種半導(dǎo)(dǎo)體，高溫時能抗氧化。

碳化硅進(jìn)程表

1905年 第一次在隕石中發(fā)(fā)現(xiàn)(xiàn)碳化硅

1907年 第一只碳化硅晶體發(fā)(fā)光二極管誕生

1955年 理論和技能上重大打破，LELY提出成長高品質(zhì)(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議進(jìn)行學(xué)(xué)術(shù)(shù)交流

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

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

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

二、碳化硅器材的優(yōu)(yōu)勢特性

碳化硅（SiC）是現(xiàn)(xiàn)在開展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)(dǎo)體資料，世界各國對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、歐洲、日本等不僅從國家層面上擬定了相應(yīng)(yīng)的研討規(guī)(guī)劃，并且一些世界電子業(yè)(yè)巨頭也都投入巨資開展碳化硅半導(dǎo)(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。

碳化硅場效應(yīng)(yīng)管耐壓可達(dá)數(shù)(shù)萬伏，且通態(tài)(tài)電阻并不很大。

高溫特性

在Si資料現(xiàn)(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。可是，相關(guān)(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高工藝的需求，將成為SiC功率器材能否真實遍及的要害。

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

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的Cree公司和日本的ROHM公司。

在Si資料現(xiàn)(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?，相關(guān)(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高工藝的需求，將成為SiC功率器材能否真實遍及的要害。

碳化硅MOS的結(jié)(jié)構(gòu)(gòu)

碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源區(qū)(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。另一個要害的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的構(gòu)(gòu)成。因為碳化硅材猜中一起有Si和C兩種原子存在，需求十分特別的柵介質(zhì)(zhì)成長辦法。其溝槽星結(jié)(jié)構(gòu)(gòu)的優(yōu)(yōu)勢如下：

平面vs溝槽

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

碳化硅MOS的優(yōu)(yōu)勢

硅IGBT在一般狀況下只能作業(yè)(yè)在20kHz以下的頻率。因為遭到資料的約束，高壓高頻的硅器材無法完成。碳化硅MOSFET不僅合適于從600V到10kV的廣泛電壓規(guī)(guī)模，一起具有單極型器材的杰出開關(guān)(guān)功能。比較于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關(guān)(guān)電路中不存在電流拖尾的狀況具有更低的開關(guān)(guān)損耗和更高的作業(yè)(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)(xiàn)了碳化硅MOSFET在工作頻率和功率上的巨大優(yōu)(yōu)勢。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)(fù)時刻trr和反向恢復(fù)(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)(guān)于橋式電路來說（特別當(dāng)LLC變換器作業(yè)(yè)在高于諧振頻率的時分），這個方針十分要害，它能夠減小死區(qū)(qū)時刻以及體二極管的反向恢復(fù)(fù)帶來的損耗和噪音，便于進(jìn)步開關(guān)(guān)工作頻率。

碳化硅MOS管的作用

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

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)(jié)構(gòu)(gòu)

碳化硅肖特基二極管（SiC SBD）的器材選用了結(jié)(jié)勢壘肖特基二極管結(jié)(jié)構(gòu)(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)(yōu)勢

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)(tǒng)的硅快恢復(fù)(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)(fù)特性。在器材從正導(dǎo)(dǎo)游通向反向阻斷變換時，簡直沒有反向恢復(fù)(fù)電流（如圖1.2a），反向恢復(fù)(fù)時刻小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)(fù)時刻在10ns以內(nèi)(nèi)。因而碳化硅肖特基二極管能夠作業(yè)(yè)在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的功率。另一個重要的特點是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù)(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)(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)(yōu)勢，有如下特點：

1. 簡直無開關(guān)(guān)損耗

2. 更高的開關(guān)(guān)頻率

3. 更高的功率

4. 更高的作業(yè)(yè)溫度

5. 正的溫度系數(shù)(shù)，合適于并聯(lián)(lián)工作

6. 開關(guān)(guān)特性簡直與溫度無關(guān)(guān)

碳化硅肖特基二極管的運用

碳化硅肖特基二極管可廣泛運用于開關(guān)(guān)電源、功率要素校對（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)(yè)頻率。在PFC電路頂用碳化硅SBD替代本來的硅FRD，可使電路作業(yè)(yè)在300kHz以上，功率根本堅持不變，而比較下運用硅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，電感等無源原件的體積相應(yīng)(yīng)下降，整個電路板的體積下降30%以上。

五、人們是怎么評估碳化硅的?

簡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。其絕緣擊穿場強(qiáng)為硅的5.3倍,高達(dá)3.2MV/cm.其導(dǎo)(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場效應(yīng)(yīng)晶體管,與相同耐壓的硅器材比較,其漂移電阻區(qū)(qū)的厚度薄了一個數(shù)(shù)量級。其雜質(zhì)(zhì)濃度可為硅的2個數(shù)(shù)量級。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。它的漂移電阻簡直就等于器材的悉數(shù)(shù)電阻。因而碳化硅器材的發(fā)(fā)熱量極低。這有助于削減傳導(dǎo)(dǎo)和開關(guān)(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)(dǎo)體還有的固有的強(qiáng)抗輻射才能。

近年運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)(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)(fā)熱量小,因而碳化硅器材的導(dǎo)(dǎo)熱功能極優(yōu)(yōu)。還有,碳化硅功率器材可在400℃的高溫下正常工作。其可運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)(xiàn)在碳化硅器材開展?fàn)顩r怎么?

1，技能參數(shù)(shù)：舉例來說，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，與硅資料沒有不同，高的正向壓降要到達(dá)2V。

2，商場價格：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?

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

舉例如下：

1，碳化硅晶片的微管缺點密度。微管是一種肉眼都能夠看得見的微觀缺點，在碳化硅晶體成長技能開展到能徹底消除微管缺點之前，大功率電力電子器材就難以用碳化硅來制作。雖然優(yōu)(yōu)質(zhì)(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)(zhì)外延一般要在1500℃以上的高溫下進(jìn)行。因為有進(jìn)步的問題，溫度不能太高，一般不能超越1800℃，因而成長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產(chǎn)(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)(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)(zhì)運用鋁。因為鋁原子比碳原子大得多，注入對晶格的損害和雜質(zhì)(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。這樣就帶來了晶片外表碳化硅分化、硅原子進(jìn)步的問題?，F(xiàn)(xiàn)在，p型離子注入的問題還比較多，從雜質(zhì)(zhì)選擇到退火溫度的一系列工藝參數(shù)(shù)都還需求優(yōu)(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℃ 以上時熱安穩(wěn)(wěn)性較差。選用Al/Ni/W/Au復(fù)(fù)合電極能夠把熱安穩(wěn)(wěn)性進(jìn)步到600℃、100h ，不過其觸摸比電阻高達(dá)10- 3Ωcm2 。所以要構(gòu)(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)(yè)，但與其配套的資料就不見得本領(lǐng)(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)(yè)溫度的進(jìn)步。

以上僅舉數(shù)(shù)例，不是悉數(shù)(shù)。還有許多工藝問題還沒有抱負(fù)的處理辦法，如碳化硅半導(dǎo)(dǎo)體外表挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態(tài)(tài)對碳化硅MOSFET器材的長期安穩(wěn)(wěn)性影響方面，行業(yè)(yè)中還有沒有到達(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，碳化硅器材的長處現(xiàn)(xiàn)已為人們所熟知。之所以現(xiàn)(xiàn)在沒有推廣遍及，是因為存在著許多包含制作在內(nèi)(nèi)的許多技能問題。直到現(xiàn)(xiàn)在SIC資料的工業(yè)(yè)運用首要是作為磨料（金剛砂）運用。

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

只需一根微管穿過高壓PN結(jié)(jié)就會損壞PN結(jié)(jié)阻斷電壓的才能，在曩昔三年中，這種缺點密度已從每平方毫米幾萬根降到幾十根。除了這種改進(jìn)外，當(dāng)器材的最大尺度被約束在幾個平方毫米時，出產(chǎn)(chǎn)成品率可能在大于百分之幾，這樣每個器材的最大額定電流為幾個安培。因而在SIC功率器材獲得商業(yè)(yè)化成功之前需求對SIC的襯底資料作更大技能改進(jìn)。

SIC工業(yè)(yè)出產(chǎn)(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)(xiàn)在SIC資料，光電子器材已滿足要求，現(xiàn)(xiàn)已不受資料質(zhì)(zhì)量影響，器材的工業(yè)(yè)出產(chǎn)(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)(nèi)的單極器材。SIC資料的微管缺點密度根本到達(dá)要求，僅對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刻，進(jìn)一步改進(jìn)資料缺點密度?？傊徽摤F(xiàn)(xiàn)在存在什么困難，半導(dǎo)(dǎo)體怎么開展， SIC無疑是新世紀(jì)一種充滿希望的資料。

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