SiC(碳化硅)作为第三代半导体，以耐高压、高温文高频，在高功能功率半导体上显出优势。据SiC厂商罗姆根据IHS的查询显现，2025年整个商场规模将到达约23亿美元。在使用中，在光伏和服务器商场最大，正处于开展中的商场是xEV（电动与混动轿车）。跟着SiC产品特性越做越好，在需求更高电压的铁路和风电大将会得到更多的使用。
不过，限制SiC开展的关键是价格，首要原因有两个：衬底和晶圆尺度。例如晶圆尺度越大，本钱也会相应地下降，罗姆等公司已经有6英寸的晶圆片。在技能方面，众厂商竞赛的有两个焦点：技能和原资料。
不久前，罗姆半导体（北京）有限公司规划中心所长水原德建先生介绍了SiC的优势及工艺技能。
1 什么是SiC
SiC(碳化Si)是以1：1的份额，用Si(Si)和碳(C)生成的化合物。
SiC硬度很高。市面上最硬的是钻石，硬度为15，SiC的硬度是13，已挨近钻石的硬度。
SiC的物理特性。与Si和GaN(氮化镓)比较，如图1。Si是商场上现在用得最多的资料。现在半导体功率元器材中的资料首要是这3种资料。
SiC在物理特性上的优点。榜首是击穿场强度会更强，因此耐压更高，所以它能够做成耐高压的产品。
第二是熔点和Si比较会更高一些。这样能够耐更高的温度，大约能够耐到Si温度3倍以上。第三个优点是电子饱满速度会更快一些，所以SiC的频率能够做得更高。
别的还有两个优势：一是热传导性很高，这样冷却更简单去做；再有，禁带宽度更宽，这样能够使工作温度更好做。
因此总结起来SiC的五角形优势，从产品自身看，SiC耐高压、高温文高频；别的在规划上，由于SiC耐的温度会更高一些，因此更简单做冷却和散热规划。
1.1 SiC 优异的资料特性
比较现在盛行的Si-MOSFET，SiC最大的优点表现在两方面。榜首是击穿场较强，大约是Si的10倍左右，即能够把高压特性做得更好。
第二，如图2，在上面的栅极与下面的衬底之间有一个电压阻隔区。这个电压阻隔区越宽，里边的内阻就会越大。内阻也便是一般说的导通电阻，假如导通电阻越大，能量、功率损耗也会越大。
假如选用SiC，能够把电压阻隔区做得更薄，因此内阻能够更低，即导通电阻能够做得更小。相应地，其能耗会更少。
既SiC能够做高压，又能够使它内部的特性做得更好，这是SiC的两个最大优点。
1.2 Si和SiC 功率元器材的比较
首要是二极管和晶体管(三极管)的比较（注：MOSFET也包括在其间）。
二极管首要有几种，比如肖特基势垒二极管（SBD）、整流二极管（FRD）、快康复二极管（PND）等。如图3可见，假如用Si资料，用肖特基结构来做，最高大约只能做到250 V。再往上做的话，根本都是靠整流二极管或快康复二极管了。可是假如用SiC，肖特基结构能够做到约4 kV，之后上面会用整流二极管去做（如图3左）。
读者至此可能会发生疑问：为什么必定用肖特基来做呢？PND和FRD有何不好呢？接下来的章节里会介绍这方面的内容。
在晶体管部分（如图3右），晶体管Si的产品首要是以功率MOSFET和IGBT这两种产品为主。关于MOSFET，假如Si的特性好，能够做到900 V左右。商场上1.5 kV左右的MOSFET产品也有，可是其特性会变差。这种情况下，假如用SiC来做，现在根本能够做到3.3 kV及以上。
Si与SiC的总结如表1。即Si的少子（少量载流子）器材首要有两种：一种是整流管（FRD）和IGBT。它们的最大的优点是耐压特性会更好，但开关特性一般。假如用FRD，康复特性有一些缺点。
Si的多子器材一般做成功率MOSFET（或超级结MOSFET）。超级结MOSFET的耐压特性尽管不是很强，可是最大的优点是开关损耗少，因此开关特性很好。
可是假如是SiC来做的话，二极管能够是肖特基，假如三极管便是MOSFET。这样能够看到把上述IGBT的高压特性和超级结的开关特性都变成最好的特性。因此商场上关于SiC产品，除了价格之外，功能上遍及遭到认同。
1.3 功率半导体器材的使用分类
如图4，横坐标是频率，纵坐标是功率。从中可见，低频、高压的情况下，Si IGBT最适合。假如稍稍高频，可是电压和功率不是很高的情况下，用SiMOSFET是最好。假如既是高频又是高压的情况下，SiC MOSFET最适合。假如电压不需求很高，功率不需求很大，可是频率需求很高，这种情况下就用氮化镓（GaN）。
当然这儿的纵坐标是功率（注：其实电压也是相同的）。高电压的时分，IGBT会用得较多，低电压时MOSFET会用得较多，高频的时分氮化镓特性会更好一些，高频和高压时SiC会更好一些。
2 SiC与Si功率元器材的功能比照
由于SiC的导通电阻能够做得更低，因此功率能够进步更多，并把产品尺度做得更小。能够做成高频，高频器材能够把周边的元器材变小，因此整个模块、产品也能够变小。高温运转的情况下，能够把冷却做得更好，例如曾经用很大的散热板，SiC计划能够用水冷或许很小的散热板、很薄的散热片，完成小型化，薄型化，这也是为什么轿车或工控职业用得比较多的原因。
例如，一个5 kW左右的DC/DC，本来用IGBT产品来做的情况下，质量要到达将近7 kg左右，体积大约是8升左右。假如把它变成里边都用上SiC，其分量能够降到本来的1/8左右。
2.1 为什么SiC 的肖特基会替代原有的FRD ？
首要由于FRD是一个PN结构，是“半导体+半导体”，这种结构有一个最大的问题：电流从P流向N之后，一旦堵截，从开端到完毕，抱负情况是天然归零。可是“半导体+半导体”结构必定会有反向康复，会形成糟蹋（如图5）。糟蹋区域越大，损耗越多。
由于肖特基不是PN结构，下面是半导体，上面是金属，即“半导体+金属”，理论上不会有反向康复，可是由于金属也有一些半导体特性，因此实际上仍是有一点点，但毕竟比FRD减少了许多，这也是为什么用肖特基的结构替代快康复的结构：由于反向损耗变得更少，这意味着整个产品的功率更高。
当然上述是温度的依存。接下来还有电流依存。由于Si产品会跟着电流的增大，损耗越来越多，功率会越来越差。可是从图5可见，SiC的电流根本上没有改变。即SiC SBD替代Si FRD的优势是不受电流的影响，也不受温度的影响。
在SiC肖特基制作方面，工艺也很重要。现在市面上SiC肖特基产品有两种结构，一种结构是纯肖特基结构。罗姆公司的榜首代和第二代产品使用了纯肖特基的结构。纯肖特基结构的最大优点在哪里？由于肖特基有两个特性，一个是V F ，即正向耐压；另一个特性是瞬间的最大电流。所以假如用肖特基结构来做，尽管V F 能够做得很低，可是瞬间电流做得不太抱负。
罗姆公司的第三代产品选用了JBS结构（如图6）。JBS结构的最大优点，尽管它的V F 会相应的变差，可是罗姆公司用自己的才能在确保原有的低V F 的情况下，把瞬间电流做得更大。由于JBS结构的优势，现在商场上的产品根本都是JBS结构。
2.2 SiC MOSFET
SiC MOSFET最首要替代Si的IGBT和MOSFET。从图7能够看到，SiC MOSFET最大的优点是开关特性做得更好。如图，IGBT康复回来时有拖尾电流，所以带来了不必要的能量消耗。用SiC的MOS来做，能够消除拖尾电流。当然这不仅仅SiC的MOS了，实际上，一般的MOS也根本上能够做到这种抱负情况，可是一般MOS为什么这儿没有提及呢？由于一般MOS还有一个电压不行的原因，例如达不到1.2 kV、1.7 kV。所以在高电压产品中，特性好的话，现在只要SiC MOS这么一种产品。
在MOS商场上，现在也有两种结构的产品，榜首种是平面型结构MOS，即DMOS，还有一种MOS是沟槽型的结构，即UMOS（注：沟槽长得像U）。
两种MOS的最大区别是：平面型结构的耐压能够做得很好，可是芯片尺度要做得很大。可是沟槽式的能够做小，即能够把晶圆尺度做小一些，因此价格更低一些，相同的芯片情况下，还能够把R on 做得更低一些。
为此，罗姆的榜首二代产品选用平面型结构，第三代选用了沟槽型的结构。这种沟槽型的结构现在只要罗姆一家在做，其他的竞赛对手根本上是以平面型的结构去完成。此外，罗姆的沟槽结构还有一个优点：跟一般的沟槽结构是不相同的，一般Si的沟槽型结构是一个沟槽，可是罗姆挖了两个沟槽（如图8），这是由于MOS有个最大的问题是在栅极耐压会差一些，由于它是个氧化膜，因此在旁边面又挖了一个沟槽，使它的电流能够从此跑出去，使其耐压特性更强一些。这种双沟槽的结构是罗姆的一个专利，只罗姆才有。
2.3 模块
把上述的二极管、三极管集成在一起，可做成模块。用IGBT和用SiC来做的比较如图9。首要能够看得到，SiC的开关损耗比IGBT更低一点。而且跟着频率的增高，IGBT模块的损耗添加很快，这意味着在频率越高的情况下，SiC的特性会越发表现出来，能够越节能。
（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第9期第79页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。）
