(碳化硅)四肢第三代半导体，以耐高压、高柔媚高频，在高机能功率半导体上显出优势。据厂商罗姆根据IHS的查询出现，2025年全部阛阓规模将到达约23亿美元。在行使中，在光伏和服务器墟市最大，正处于进步中的商场是xEV（电动与混动轿车）。跟着

　　可是，限制SiC行进的环节是价格，沉要原因有两个：衬底和晶圆尺度。比方晶圆尺度越大，本钱也会相应地颓唐，罗姆等公司依然有6英寸的晶圆片。在技能方面，众厂商逐鹿的有两个宗旨：技能和原资料。

　　不久前，罗姆半导体（北京）有限公司考虑重心甜头水原德筑教授介绍了SiC的优势及工艺技艺。

　　SiC(碳化Si)因此1：1的份额，用Si(Si)和碳(C)天分的化合物。

　　SiC硬度很高。市面上最硬的是钻石，硬度为15，SiC的硬度是13，已热心钻石的硬度。

　　SiC的物理特性。与Si和GaN(氮化镓)比较，如图1。Si是商场上方今用得最多的质量。今朝半导体功率元器材中的资料要紧是这3种材料。

　　SiC在物理特征上的利益。榜首是击穿场强度会更强，所以耐压更高，因此它无妨做成耐高压的产品。

　　第二是熔点和Si比较会更高一些。如此可本领更高的温度，或许或许耐到Si温度3倍以上。第三个甜头是电子鼓和快度会更快少量，所以SiC的频率无妨做得更高。

　　其它还有两个优势：一是热传导性很高，如此冷却更容易去做；尚有，禁带宽度更宽，如此能够使事宜温度更好做。

　　所以归纳起来SiC的五角形优势，从产品本身看，SiC耐高压、高和婉高频；其他在设想上，因为SiC耐的温度会更高很少，所以更便作为冷却和散热幻想。

　　比较现在着作的Si-MOSFET，SiC最大的利益体现在两方面。榜首是击穿场较强，或者是Si的10倍驾御，即或许把高压特质做得更好。

　　第二，如图2，在上面的栅极与下面的衬底之间有一个电压远离区。这个电压分隔区越宽，里边的内阻就会越大。内阻也便是往常叙的导通电阻，若是导通电阻越大，能量、功率糜费也会越大。

　　假设选取SiC，无妨把电压距离区做得更薄，所以内阻或许更低，即导通电阻能够做得更小。反响地，其能耗会更少。

　　既SiC能够做高压，又或许使它内里的特征做得更好，这是SiC的两个最大利益。

　　二极管苛重有几种，比方肖特基势垒二极管（SBD）、整流二极管（FRD）、快克复二极管（PND）等。如图3可见，假运用Si材料，用肖特基结构来做，最高大约只能做到250 V。再往上做的话，底子都是靠整流二极管或速克复二极管了。然则假若用SiC，肖特基安排能够做到约4 kV，之后上面会用整流二极管去做（如图3左）。

　　读者至此大概会发生疑问：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的产品合键是以功率MOSFET和IGBT这两种产品为主。迁就MOSFET，假设Si的特性好，能够做到900 V操作。阛阓上1.5 kV左右的MOSFET产品也有，不过其特质会变差。这种景象下，假设用SiC来做，现在根蒂或许做到3.3 kV及以上。

　　Si与SiC的具体如表1。即Si的少子（少量载流子）器材厉重有两种：一种是整流管（FRD）和IGBT。它们的最大的廉价是耐压特性会更好，但开关特征遍及。倘若用FRD，克复特征有一些缝隙。

　　Si的多子器材遍及做乐成率MOSFET（或超级结MOSFET）。超级结MOSFET的耐压特征只管不是很强，可是最大的利益是开关花费少，因此开合特质很好。

　　可是假设是SiC来做的话，二极管可是以肖特基，倘若三极管便是MOSFET。这样或许看到把上述IGBT的高压特征和超级结的开闭特征都形成最好的特性。所以商场上斡旋SiC产品，除了价值在外，本能上一般遭到供认。

　　如图4，横坐标是频率，纵坐标是功率。从中可见，低频、高压的景遇下，Si IGBT最恰当。假定稍稍高频，可是电压和功率不是很高的境况下，用SiMOSFET是最好。倘若既是高频又是高压的景遇下，SiC MOSFET最适合。假设电压不必要很高，功率不必要很大，不过频率需求很高，这种景况下就用氮化镓（GaN）。

　　当然这儿的纵坐标是功率（注：与众不同电压也是彷佛的）。高电压的期间，IGBT会用得较多，低电压时MOSFET会用得较多，高频的年月氮化镓特征会更好一些，高频和高压时SiC会更好很少。

　　因为SiC的导通电阻能够做得更低，因此功效能够进步更多，并把产品尺度做得更小。或许做成高频，高频器材无妨把周边的元器材变小，所以全部模块、产品也能够变小。高温运转的景遇下，能够把冷却做得更好，譬喻畴昔用很大的散热板，SiC计划能够用水冷概略很小的散热板、很薄的散热片，告终小型化，薄型化，这也是为什么轿车或工控职业用得比较多的由来。

　　比方，一个5 kW驾御的DC/DC，历来用IGBT产品来做的境况下，质地要抵达将近7 kg左右，体积大约是8升驾御。假设把它变成里边都用上SiC，其分量能够降到从来的1/8分配。

　　着手出处FRD是一个PN安排，是“半导体+半导体”，这种安排有一个最大的问题：电流从P流向N之后，一旦切断，从来历到结束，理念情况是天然归零。可是“半导体+半导体”机关笃信会有反向克复，会变成糟塌（如图5）。豪华区域越大，浪费越多。

　　因为肖特基不是PN布局，下面是半导体，上面是金属，即“半导体+金属”，理论上不会有反向克复，可是因为金属也有一些半导体特征，因此本性上依然有一点点，但终究比FRD委曲了许多，这也是为什么用肖特基的机关替代速克复的结构：原故反向销耗变得更少，这意味着彻底产品的影响更高。

　　尽管上述是温度的依存。接下来再有电流依存。情由Si产品会跟着电流的增大，蹧跶越来越多，效果会越来越差。然则从图5可见，SiC的电流根蒂上没有更动。即SiC SBD庖代Si FRD的优势是不受电流的意图，也不受温度的功率。

　　在SiC肖特基修造方面，工艺也很严重。冷若冰霜市面上SiC肖特基产品有两种结构，一种结构是纯肖特基安排。罗姆公司的榜首代和第二代产品运用了纯肖特基的机关。纯肖特基机关的最大利益在那边？原因肖特基有两个特质，一个是VF，即正向耐压；另一个特性是倏得的最大电流。所以假设用肖特基结构来做，只管VF能够做得很低，可是瞬间电流做得不太理思。

　　罗姆公司的第三代产品拣选了JBS布局（如图6）。JBS布局的最大优点，倘若它的VF会照应的变差，可是罗姆公司用所有人方的才能在保证原有的低VF的景象下，把瞬间电流做得更大。因为JBS安排的优势，今朝阛阓上的产品根底都是JBS安排。

　　SiC MOSFET最合键庖代Si的IGBT和MOSFET。从图7无妨看到，SiC MOSFET最大的利益是开合特征做得更好。如图，IGBT克复回忆时有拖尾电流，所以带来了不必要的能量花费。用SiC的MOS来做，或许袪除拖尾电流。当然这不不过SiC的MOS了，实质上，往常的MOS也底子上或许做到这种抱负情况，可是往常MOS为什么这儿没有提及呢？缘由广泛MOS还有一个电压不足的情由，比方达不到1.2 kV、1.7 kV。所以在高电压产品中，特性好的话，此时惟有SiC MOS这么一种产品。

　　在MOS阛阓上，此时也有两种布局的产品，榜首种是平面型机关MOS，即DMOS，再有一种MOS是沟槽型的结构，即UMOS（注：沟槽长得像U）。

　　两种MOS的最大分辩是：平面型机关的耐压能够做得很好，不过芯片尺度要做得很大。可是沟槽式的无妨做小，即能够把晶圆尺度做小很少，所以价格更低少量，相同的芯片情状下，还或许把Ron做得更低一些。

　　为此，罗姆的榜首二代产品选用平面型机关，第三代采用了沟槽型的结构。这种沟槽型的结构冷若冰霜惟有罗姆一家在做，其他们们的比赛对手底子上所以平面型的结构去完结。别的，罗姆的沟槽结构尚有一个利益：跟粗浅的沟槽结构是不好像的，艰深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），这是情由MOS有个最大的标题是在栅极耐压会差一些，缘由它是个氧化膜，所以在旁边面又挖了一个沟槽，使它的电流能够以来跑出去，使其耐压特质更强少量。这种双沟槽的结构是罗姆的一个专利，只罗姆才有。

　　把上述的二极管、三极管集成在通通，可做成模块。用IGBT和用SiC来做的比赛如图9。起先无妨看赢得，SiC的开关消费比IGBT更低一点。并且跟着频率的增高，IGBT模块的耗费加添很速，这意味着在频率越高的景况下，SiC的特征会越发表现出来，或许越节能。

　　（注：本文发源于科技期刊《电子产品世界》2019年第9期第79页，招待您写论文时引证，并证明来历。）