陈冠希艳照门

新聞中心

EEPW首頁 > 設計應用 > SiC: 為何被稱為是新一代功率半導體?

SiC: 為何被稱為是新一代功率半導體?

作者:王瑩時間:2019-08-28來源:電子產品世界收藏

  (碳化硅)作為第三代半導體,以耐高壓、高溫和高頻,在高性能功率半導體上顯出優勢。據廠商羅姆基于IHS的調查顯示,2025年整個市場規模將達到約23億美元。在應用中,在光伏和服務器市場最大,正處于發展中的市場是xEV(電動與混動汽車)。隨著產品特性越做越好,在需要更高電壓的鐵路和風電上將會得到更多的應用。

本文引用地址:http://www.sncsn.tw/article/201908/404234.htm

  不過,制約SiC發展的關鍵是價格,主要原因有兩個:襯底和晶圓尺寸。例如晶圓尺寸越大,成本也會相應地下降,羅姆等公司已經有6英寸的晶圓片。在技術方面,眾廠商競爭的有兩個焦點:技術和原材料。

  不久前,羅姆半導體(北京)有限公司設計中心所長水原德建先生介紹了SiC的優勢及工藝技術。

  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。市面上最硬的是鉆石,硬度為15,SiC的硬度是13,已接近鉆石的硬度。

1567997591559599.png

  SiC的物理特性。與Si和GaN(氮化鎵)相比,如圖1。Si是市場上現在用得最多的材料。目前半導體功率元器件中的材料主要是這3種材料。

  SiC在物理特性上的好處。第一是擊穿場強度會更強,因此耐壓更高,所以它可以做成耐高壓的產品。

  第二是熔點和Si相比會更高一些。這樣可以耐更高的溫度,大約可以耐到Si溫度3倍以上。第三個好處是電子飽和速度會更快一些,所以SiC的頻率可以做得更高。

  另外還有兩個優勢:一是熱傳導性很高,這樣冷卻更容易去做;再有,禁帶寬度更寬,這樣可以使工作溫度更好做。

  因此總結起來SiC的五角形優勢,從產品本身看,SiC耐高壓、高溫和高頻;另外在設計上,因為SiC耐的溫度會更高一些,因此更容易做冷卻和散熱設計。

  1.1 SiC 優異的材料特性

  相比現在流行的Si-MOSFET,SiC最大的好處體現在兩方面。第一是擊穿場較強,大約是Si的10倍左右,即可以把高壓特性做得更好。

  第二,如圖2,在上面的柵極與下面的襯底之間有一個電壓隔離區。這個電壓隔離區越寬,里面的內阻就會越大。內阻也就是通常說的導通電阻,如果導通電阻越大,能量、功率損耗也會越大。

1567997528676855.png

  如果采用SiC,可以把電壓隔離區做得更薄,因而內阻可以更低,即導通電阻可以做得更小。相應地,其能耗會更少。

  既SiC可以做高壓,又可以使它內部的特性做得更好,這是SiC的兩個最大好處。

  1.2 Si和SiC 功率元器件的比較

  首先是二極管和晶體管(三極管)的比較(注:MOSFET也包含在其中)。

  二極管主要有幾種,諸如肖特基勢壘二極管(SBD)、整流二極管(FRD)、快恢復二極管(PND)等。如圖3可見,如果用Si材料,用肖特基構造來做,最高大約只能做到250 V。再往上做的話,基本都是靠整流二極管或快恢復二極管了。但是如果用SiC,肖特基構造可以做到約4 kV,之后上面會用整流二極管去做(如圖3左)。

1567997472695490.png

  讀者至此可能會產生疑問:為什么一定用肖特基來做呢?PND和FRD有何不好呢?接下來的章節里會介紹這方面的內容。

  在晶體管部分(如圖3右),晶體管Si的產品主要是以功率MOSFET和IGBT這兩種產品為主。對于MOSFET,如果Si的特性好,可以做到900 V左右。市場上1.5 kV左右的MOSFET產品也有,但是其特性會變差。這種情況下,如果用SiC來做,現在基本可以做到3.3 kV及以上。

  Si與SiC的總結如表1。即Si的少子(少數載流子)器件主要有兩種:一種是整流管(FRD)和IGBT。它們的最大的好處是耐壓特性會更好,但開關特性一般。如果用FRD,恢復特性有一些缺陷。

1567997428276710.png

  Si的多子器件一般做成功率MOSFET(或超級結MOSFET)。超級結MOSFET的耐壓特性雖然不是很強,但是最大的好處是開關損耗少,因此開關特性很好。

  但是如果是SiC來做的話,二極管可以是肖特基,如果三極管就是MOSFET。這樣可以看到把上述IGBT的高壓特性和超級結的開關特性都變成最好的特性。因此市場上對于SiC產品,除了價格之外,性能上普遍受到認同。

  1.3 功率半導體器件的應用分類

  如圖4,橫坐標是頻率,縱坐標是功率。從中可見,低頻、高壓的情況下,Si IGBT最適合。如果稍稍高頻,但是電壓和功率不是很高的情況下,用SiMOSFET是最好。如果既是高頻又是高壓的情況下,SiC MOSFET最適合。如果電壓不需要很高,功率不需要很大,但是頻率需要很高,這種情況下就用氮化鎵(GaN)。

1567997336192469.png

  當然這里的縱坐標是功率(注:其實電壓也是一樣的)。高電壓的時候,IGBT會用得較多,低電壓時MOSFET會用得較多,高頻的時候氮化鎵特性會更好一些,高頻和高壓時SiC會更好一些。

  2 SiC與Si功率元器件的性能對比

  由于SiC的導通電阻可以做得更低,因此效率可以提高更多,并把產品尺寸做得更小。可以做成高頻,高頻器件可以把周邊的元器件變小,因此整個模塊、產品也可以變小。高溫運行的情況下,可以把冷卻做得更好,例如以前用很大的散熱板,SiC方案可以用水冷或者很小的散熱板、很薄的散熱片,實現小型化,薄型化,這也是為什么汽車或工控行業用得比較多的原因。

  例如,一個5 kW左右的DC/DC,原來用IGBT產品來做的情況下,質量要達到將近7 kg左右,體積大約是8升左右。如果把它變成里面都用上SiC,其重量可以降到原來的1/8左右。

  2.1 為什么SiC 的肖特基會取代原有的FRD ?

  首先因為FRD是一個PN結構,是“半導體+半導體”,這種結構有一個最大的問題:電流從P流向N之后,一旦切斷,從開始到結束,理想狀態是自然歸零。但是“半導體+半導體”結構一定會有反向恢復,會造成浪費(如圖5)。浪費區域越大,損耗越多。

  由于肖特基不是PN結構,下面是半導體,上面是金屬,即“半導體+金屬”,理論上不會有反向恢復,但是由于金屬也有一些半導體特性,因此實際上還是有一點點,但畢竟比FRD減少了很多,這也是為什么用肖特基的構造取代快恢復的構造:因為反向損耗變得更少,這意味著整個產品的效率更高。

1567997096218292.png

1567997097525763.png

  當然上述是溫度的依存。接下來還有電流依存。因為Si產品會隨著電流的增大,損耗越來越多,效率會越來越差。但是從圖5可見,SiC的電流基本上沒有變化。即SiC SBD取代Si FRD的優勢是不受電流的影響,也不受溫度的影響。

  在SiC肖特基制造方面,工藝也很重要。現在市面上SiC肖特基產品有兩種構造,一種構造是純肖特基構造。羅姆公司的第一代和第二代產品使用了純肖特基的構造。純肖特基構造的最大好處在哪里?因為肖特基有兩個特性,一個是V F ,即正向耐壓;另一個特性是瞬間的最大電流。所以如果用肖特基構造來做,雖然V F 可以做得很低,但是瞬間電流做得不太理想。

  羅姆公司的第三代產品采用了JBS構造(如圖6)。JBS構造的最大好處,雖然它的V F 會相應的變差,但是羅姆公司用自己的能力在保證原有的低V F 的情況下,把瞬間電流做得更大。由于JBS構造的優勢,現在市場上的產品基本都是JBS構造。

1567996943611845.png

  2.2 SiC MOSFET

  SiC MOSFET最主要取代Si的IGBT和MOSFET。從圖7可以看到,SiC MOSFET最大的好處是開關特性做得更好。如圖,IGBT恢復回來時有拖尾電流,所以帶來了不必要的能量消耗。用SiC的MOS來做,可以消除拖尾電流。當然這不只是SiC的MOS了,實際上,普通的MOS也基本上可以做到這種理想狀況,但是普通MOS為什么這里沒有提及呢?因為普通MOS還有一個電壓不夠的原因,例如達不到1.2 kV、1.7 kV。所以在高電壓產品中,特性好的話,現在只有SiC MOS這么一種產品。

  在MOS市場上,現在也有兩種結構的產品,第一種是平面型構造MOS,即DMOS,還有一種MOS是溝槽型的構造,即UMOS(注:溝槽長得像U)。

1567996850582227.png

  兩種MOS的最大區別是:平面型構造的耐壓可以做得很好,但是芯片尺寸要做得很大。但是溝槽式的可以做小,即可以把晶圓尺寸做小一些,因而價格更低一些,同樣的芯片情況下,還可以把R on 做得更低一些。

  為此,羅姆的第一二代產品采用平面型構造,第三代采用了溝槽型的構造。這種溝槽型的構造現在只有羅姆一家在做,其他的競爭對手基本上是以平面型的構造去實現。此外,羅姆的溝槽構造還有一個好處:跟普通的溝槽構造是不一樣的,普通Si的溝槽型構造是一個溝槽,但是羅姆挖了兩個溝槽(如圖8),這是因為MOS有個最大的問題是在柵極耐壓會差一些,因為它是個氧化膜,因此在側面又挖了一個溝槽,使它的電流可以從此跑出去,使其耐壓特性更強一些。這種雙溝槽的構造是羅姆的一個專利,只羅姆才有。

1567996657895633.png

  2.3 模塊

  把上述的二極管、三極管集成在一起,可做成模塊。用IGBT和用SiC來做的比較如圖9。首先可以看得到,SiC的開關損耗比IGBT更低一點。并且隨著頻率的增高,IGBT模塊的損耗增加很快,這意味著在頻率越高的情況下,SiC的特性會越發體現出來,可以越節能。

1567996693383613.png

  (注:本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第9期第79頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。)



評論


相關推薦

技術專區

關閉
陈冠希艳照门 泳坛夺金怎么玩 安徽快3下载 3d今天6码复式 AG电子游戏的爆分技巧 青海11选五走势图 分分彩定位胆大小玩法怎么玩稳赚 重庆时时老五星走势图 幸运飞艇开奖结果 意甲小旋风国语全集 足彩赔钱 新快3预测 中国时时彩泳坛夺金 850游戏通比牛牛诀窍 时时彩老玩家的经验 复式平码3中3资料 快乐10分钟开奖查询