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火原猜中，碳化硅為運用最廣泛、最經濟的一種。能夠稱為金鋼砂或耐火砂。

碳化硅因為化學功能安穩、導熱系數高、熱膨脹系數小、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葉輪或汽缸體的內壁，可進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、重量輕而強度高，節能作用好。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，并便于操控化學成分，進步鋼的質量。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），具有優秀的導熱功能，是一種半導體，高溫時能抗氧化。

碳化硅進程表

1905年 第一次在隕石中發現碳化硅

1907年 第一只碳化硅晶體發光二極管誕生

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行學術交流

1978年 六、七十年代碳化硅首要由前蘇聯進行研討。到1978年初次選用“LELY改進技能”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二極管產品，美國Cree和意法半導體等廠商也緊隨其后推出了SiC二極管產品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產了SiC二極管。

二、碳化硅器材的優勢特性

碳化硅（SiC）是現在開展最成熟的寬禁帶半導體資料，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的研討規劃，并且一些世界電子業巨頭也都投入巨資開展碳化硅半導體器材。

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2400V。

碳化硅場效應管耐壓可達數萬伏，且通態電阻并不很大。

高溫特性

在Si資料現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“抱負器材”而備受等待?？墒?，相關于以往的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。

現在,低功耗的碳化硅器材現已從實驗室進入了有用器材出產階段?，F在碳化硅圓片的價格還較高,其缺點也多。經過不斷的研討開發,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“抱負器材”而備受等待?？墒?，相關于以往的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的結構

碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源區和P井摻雜都是選用離子注入的辦法，在1700℃溫度中進行退火激活。另一個要害的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的構成。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成長辦法。其溝槽星結構的優勢如下：

平面vs溝槽

SiC-MOSFET選用溝槽結構可最大極限地發揮SiC的特性。

碳化硅MOS的優勢

硅IGBT在一般狀況下只能作業在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的廣泛電壓規模，一起具有單極型器材的杰出開關功能。比較于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關電路中不存在電流拖尾的狀況具有更低的開關損耗和更高的作業頻率。

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。顯現了碳化硅MOSFET在工作頻率和功率上的巨大優勢。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復時刻trr和反向恢復電荷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準硅基MOSFET的5%。關于橋式電路來說（特別當LLC變換器作業在高于諧振頻率的時分），這個方針十分要害，它能夠減小死區時刻以及體二極管的反向恢復帶來的損耗和噪音，便于進步開關工作頻率。

碳化硅MOS管的作用

碳化硅MOSFET模塊在光伏、風電、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勢。碳化硅器材的高壓高頻和高功率的優勢，能夠打破現有電動汽車電機規劃上因器材功能而遭到的約束，這是現在國內外電動汽車電機范疇研制的要點。如電裝和豐田合作開發的混合電動汽車（HEV）、純電動汽車（EV）內功率操控單元（PCU），運用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。三菱開發的EV馬達驅動體系，運用SiC MOSFET模塊，功率驅動模塊集成到了電機內，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構

碳化硅肖特基二極管（SiC SBD）的器材選用了結勢壘肖特基二極管結構（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，因而比較于傳統的硅快恢復二極管（Si FRD），碳化硅肖特基二極管具有抱負的反向恢復特性。在器材從正導游通向反向阻斷變換時，簡直沒有反向恢復電流（如圖1.2a），反向恢復時刻小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復時刻在10ns以內。因而碳化硅肖特基二極管能夠作業在更高的頻率，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，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勢，有如下特點：

1. 簡直無開關損耗

2. 更高的開關頻率

3. 更高的功率

4. 更高的作業溫度

5. 正的溫度系數，合適于并聯工作

6. 開關特性簡直與溫度無關

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，進步電路的作業頻率。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。跟著工作頻率的進步，電感等無源原件的體積相應下降，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3.09電子伏特。其絕緣擊穿場強為硅的5.3倍,高達3.2MV/cm.其導熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場效應晶體管,與相同耐壓的硅器材比較,其漂移電阻區的厚度薄了一個數量級。其雜質濃度可為硅的2個數量級。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電阻。因而碳化硅器材的發熱量極低。這有助于削減傳導和開關損耗，工作頻率一般也要比硅器材高10倍以上。此外，碳化硅半導體還有的固有的強抗輻射才能。

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熱量小,因而碳化硅器材的導熱功能極優。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、現在碳化硅器材開展狀況怎么?

1，技能參數：舉例來說，肖特基二極管電壓由250伏進步到1000伏以上，芯片面積小了，但電流只需幾十安。工作溫度進步到180℃，離介紹能達600℃相差很遠。壓降更不盡人意，與硅資料沒有不同，高的正向壓降要到達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，難題不在芯片的原理規劃，特別是芯片結構規劃處理好并不難。難在完成芯片結構的制作工藝。

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。雖然優質晶片的微管密度已到達不超越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。碳化硅的氣相同質外延一般要在1500℃以上的高溫下進行。因為有進步的問題，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，但產值較低。

3，摻雜工藝有特別要求。如用分散辦法進行慘雜，碳化硅分散溫度遠高于硅，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，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處于未激活狀況的狀況都比較嚴重，往往要在適當高的襯底溫度下進行，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、硅原子進步的問題?，F在，p型離子注入的問題還比較多，從雜質選擇到退火溫度的一系列工藝參數都還需求優化。

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，但在100℃ 以上時熱安穩性較差。選用Al/Ni/W/Au復合電極能夠把熱安穩性進步到600℃、100h ，不過其觸摸比電阻高達10- 3Ωcm2 。所以要構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，但與其配套的資料就不見得本領此高溫。例如，電極資料、焊料、外殼、絕緣資料等都約束了作業溫度的進步。

以上僅舉數例，不是悉數。還有許多工藝問題還沒有抱負的處理辦法，如碳化硅半導體外表挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態對碳化硅MOSFET器材的長期安穩性影響方面，行業中還有沒有到達共同的定論等，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60年代，碳化硅器材的長處現已為人們所熟知。之所以現在沒有推廣遍及，是因為存在著許多包含制作在內的許多技能問題。直到現在SIC資料的工業運用首要是作為磨料（金剛砂）運用。

SIC在能夠操控的壓力規模內不會消融，而是在約2500℃的進步點上直接轉變為氣態。所以SIC 單晶的成長只能從氣相開端，這個進程比SIC的成長要復雜的多，SI在大約1400℃左右就會熔化。使SIC技能不能獲得商業成功的首要妨礙是缺少一種合適的用于工業化出產功率半導體器材的襯底資料。對SI的狀況,單晶襯底經常指硅片（wafer）,它是從事出產的前提和確保。一種成長大面積 SIC襯底的辦法以在20世紀70年代末研制成功?？墒怯酶倪M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結就會損壞PN結阻斷電壓的才能，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。除了這種改進外，當器材的最大尺度被約束在幾個平方毫米時，出產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功率器材獲得商業化成功之前需求對SIC的襯底資料作更大技能改進。

SIC工業出產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，現在SIC資料，光電子器材已滿足要求，現已不受資料質量影響，器材的工業出產成品率，可靠性等功能也符合要求。高頻器材首要包含MOSFET SCHOTTKY二極管內的單極器材。SIC資料的微管缺點密度根本到達要求，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，進一步改進資料缺點密度?？傊徽摤F在存在什么困難，半導體怎么開展， SIC無疑是新世紀一種充滿希望的資料。

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