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SiC: 为何被称为是新一代功率半导体?

作者:王莹时间:2019-08-28来源:电子产品世界收藏

  (碳化硅)作为第三代半导体,以耐高压、高温和高频,在高性能功率半导体上显出优势。据厂商罗姆基于IHS的调查显示,2025年整个市场规模将达到约23亿美元。在应用中,在光伏和服务器市场最大,正处于发展中的市场是xEV(电动与混动汽车)。随着500万彩票网产品特性越做越好,在需要更高电压的铁路和风电上将会得到更多的应用。

本文引用地址:http://www.dzszp.com/article/201908/404234.htm

  不过,制约SiC发展的关键是价格,主要原因有两个:衬底和晶圆尺寸。例如晶圆尺寸越大,成本也会相应地下降,罗姆等公司已经有6英寸的晶圆片。在技术方面,众厂商竞争的有两个焦点:技术和原材料。

  不久前,罗姆半导体(北京)有限公司设计中心所长水原德建先生介绍了SiC的优势及工艺技术。

  1 什么是SiC

  SiC(碳化Si)是以1:1的比例,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,已接近钻石的硬度。

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  SiC的物理特性。与Si和GaN(氮化镓)相比,如图1。Si是市场上现在用得最多的材料。目前半导体功率元器件中的材料主要是这3种材料。

500万彩票网  SiC在物理特性上的好处。第一是击穿场强度会更强,因此耐压更高,所以它可以做成耐高压的产品。

  第二是熔点和Si相比会更高一些。这样可以耐更高的温度,大约可以耐到Si温度3倍以上。第三个好处是电子饱和速度会更快一些,所以SiC的频率可以做得更高。

  另外还有两个优势:一是热传导性很高,这样冷却更容易去做;再有,禁带宽度更宽,这样可以使工作温度更好做。

  因此总结起来SiC的五角形优势,从产品本身看,SiC耐高压、高温和高频;另外在设计上,因为SiC耐的温度会更高一些,因此更容易做冷却和散热设计。

  1.1 SiC 优异的材料特性

  相比现在流行的Si-MOSFET,SiC最大的好处体现在两方面。第一是击穿场较强,大约是Si的10倍左右,即可以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隔离区。这个电压隔离区越宽,里面的内阻就会越大。内阻也就是通常说的导通电阻,如果导通电阻越大,能量、功率损耗也会越大。

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  如果采用SiC,可以把电压隔离区做得更薄,因而内阻可以更低,即导通电阻可以做得更小。相应地,其能耗会更少。

  既SiC可以做高压,又可以使它内部的特性做得更好,这是SiC的两个最大好处。

  1.2 Si和SiC 功率元器件的比较

  首先是二极管和晶体管(三极管)的比较(注:MOSFET也包含在其中)。

  二极管主要有几种,诸如肖特基势垒二极管(SBD)、整流二极管(FRD)、快恢复二极管(PND)等。如图3可见,如果用Si材料,用肖特基构造来做,最高大约只能做到250 V。再往上做的话,基本都是靠整流二极管或快恢复二极管了。但是如果用SiC,肖特基构造可以做到约4 kV,之后上面会用整流二极管去做(如图3左)。

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500万彩票网  读者至此可能会产生疑问:为什么一定用肖特基来做呢?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的产品主要是以功率MOSFET和IGBT这两种产品为主。对于MOSFET,如果Si的特性好,可以做到900 V左右。市场上1.5 kV左右的MOSFET产品也有,但是其特性会变差。这种情况下,如果用SiC来做,现在基本可以做到3.3 kV及以上。

500万彩票网  Si与SiC的总结如表1。即Si的少子(少数载流子)器件主要有两种:一种是整流管(FRD)和IGBT。它们的最大的好处是耐压特性会更好,但开关特性一般。如果用FRD,恢复特性有一些缺陷。

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  Si的多子器件一般做成功率MOSFET(或超级结MOSFET)。超级结MOSFET的耐压特性虽然不是很强,但是最大的好处是开关损耗少,因此开关特性很好。

  但是如果是SiC来做的话,二极管可以是肖特基,如果三极管就是MOSFET。这样可以看到把上述IGBT的高压特性和超级结的开关特性都变成最好的特性。因此市场上对于SiC产品,除了价格之外,性能上普遍受到认同。

  1.3 功率半导体器件的应用分类

  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。如果稍稍高频,但是电压和功率不是很高的情况下,用SiMOSFET是最好。如果既是高频又是高压的情况下,SiC MOSFET最适合。如果电压不需要很高,功率不需要很大,但是频率需要很高,这种情况下就用氮化镓(GaN)。

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  当然这里的纵坐标是功率(注:其实电压也是一样的)。高电压的时候,IGBT会用得较多,低电压时MOSFET会用得较多,高频的时候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功率元器件的性能对比

  由于SiC的导通电阻可以做得更低,因此效率可以提高更多,并把产品尺寸做得更小。可以做成高频,高频器件可以把周边的元器件变小,因此整个模块、产品也可以变小。高温运行的情况下,可以把冷却做得更好,例如以前用很大的散热板,SiC方案可以用水冷或者很小的散热板、很薄的散热片,实现小型化,薄型化,这也是为什么汽车或工控行业用得比较多的原因。

  例如,一个5 kW左右的DC/DC,原来用IGBT产品来做的情况下,质量要达到将近7 kg左右,体积大约是8升左右。如果把它变成里面都用上SiC,其重量可以降到原来的1/8左右。

  2.1 为什么SiC 的肖特基会取代原有的FRD ?

  首先因为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,一旦切断,从开始到结束,理想状态是自然归零。但是“半导体+半导体”结构一定会有反向恢复,会造成浪费(如图5)。浪费区域越大,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”,理论上不会有反向恢复,但是由于金属也有一些半导体特性,因此实际上还是有一点点,但毕竟比FRD减少了很多,这也是为什么用肖特基的构造取代快恢复的构造:因为反向损耗变得更少,这意味着整个产品的效率更高。

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  当然上述是温度的依存。接下来还有电流依存。因为Si产品会随着电流的增大,损耗越来越多,效率会越来越差。但是从图5可见,SiC的电流基本上没有变化。即SiC SBD取代Si FRD的优势是不受电流的影响,也不受温度的影响。

  在SiC肖特基制造方面,工艺也很重要。现在市面上SiC肖特基产品有两种构造,一种构造是纯肖特基构造。罗姆公司的第一代和第二代产品使用了纯肖特基的构造。纯肖特基构造的最大好处在哪里?因为肖特基有两个特性,一个是V F ,即正向耐压;另一个特性是瞬间的最大电流。所以如果用肖特基构造来做,虽然V F 可以做得很低,但是瞬间电流做得不太理想。

  罗姆公司的第三代产品采用了JBS构造(如图6)。JBS构造的最大好处,虽然它的V F 会相应的变差,但是罗姆公司用自己的能力在保证原有的低V F 的情况下,把瞬间电流做得更大。由于JBS构造的优势,现在市场上的产品基本都是JBS构造。

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  2.2 SiC MOSFET

  SiC MOSFET最主要取代Si的IGBT和MOSFET。从图7可以看到,SiC MOSFET最大的好处是开关特性做得更好。如图,IGBT恢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,可以消除拖尾电流。当然这不只是SiC的MOS了,实际上,普通的MOS也基本上可以做到这种理想状况,但是普通MOS为什么这里没有提及呢?因为普通MOS还有一个电压不够的原因,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,现在只有SiC MOS这么一种产品。

  在MOS市场上,现在也有两种结构的产品,第一种是平面型构造MOS,即DMOS,还有一种MOS是沟槽型的构造,即UMOS(注:沟槽长得像U)。

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  两种MOS的最大区别是:平面型构造的耐压可以做得很好,但是芯片尺寸要做得很大。但是沟槽式的可以做小,即可以把晶圆尺寸做小一些,因而价格更低一些,同样的芯片情况下,还可以把R on 做得更低一些。

  为此,罗姆的第一二代产品采用平面型构造,第三代采用了沟槽型的构造。这种沟槽型的构造现在只有罗姆一家在做,其他的竞争对手基本上是以平面型的构造去实现。此外,罗姆的沟槽构造还有一个好处:跟普通的沟槽构造是不一样的,普通Si的沟槽型构造是一个沟槽,但是罗姆挖了两个沟槽(如图8),这是因为MOS有个最大的问题是在栅极耐压会差一些,因为它是个氧化膜,因此在侧面又挖了一个沟槽,使它的电流可以从此跑出去,使其耐压特性更强一些。这种双沟槽的构造是罗姆的一个专利,只罗姆才有。

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  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。首先可以看得到,SiC的开关损耗比IGBT更低一点。并且随着频率的增高,IGBT模块的损耗增加很快,这意味着在频率越高的情况下,SiC的特性会越发体现出来,可以越节能。

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  (注:本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第9期第79页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。)



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