SiC材料及器件介绍

一、SiC材料特征

SiC，作为发展最成熟的宽禁带半导体材料之一，具有禁带宽度宽、临界击穿电场高、热导率高、电子饱和漂移速度高及抗辐射能力强等特点。SiC材料有多种晶型结构，目前常见的有4H、6H和3C等晶型。其中，3C-SiC的临界击穿电场和禁带宽度相对较小，因此不适合用于高压功率器件的制作。

相比于6H-SiC，4H-SiC具有更高的电子载流子迁移率，在功率器件的研究中被广泛应用，现在4inch～6inch的单晶晶圆已经实现了量产，国内8inch的单晶衬底正在开发中。Si和SiC材料的主要基本特征如表1-1所示。

表 1-1 硅和碳化硅材料的主要特性参数

二、SiC器件

由于SiC材料的优势使得SiC功率器件非常适合于高温、高压、高频、大功率等应用。现如今，已实现商业化的SiC功率器件主要有SiC肖特基二极管(SBD)和SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）。

2.1 SiC SBD

SiC SBD作为单极器件，无少数载流子存储，几乎表现出理想的反向恢复特性，非常适合低开关损耗且高频开关工作应用。如图2-1所示为SiC肖特基二极管的结构示意图，其中SiC JBS和MPS结构为主流产品设计结构，SiC JBS结构可良好折衷其正向导通和反向恢复特性；而SiC MPS在JBS基础上引入PiN结构可提高器件的抗浪涌电流能力。如图2-2所示，1200V 20A SiC MPS可以在不牺牲正向性能的前提下，显著提升器件的正向电流浪涌能力，约为额定电流的11倍。

如图2-3所示为650V 20A Si FRD和650V 20A SiC JBS的反向恢复特性对比，结果发现，SiC JBS表现出较低的反向恢复峰值Irr电流和恢复电荷Qrr。此外，SiC肖特基二极管表现出与温度无关的开关特性，从而改善电路性能的稳定性，提高电力转换系统的可靠性。目前，SiC肖特基二极管主要应用于功率因数校正（PFC）、光伏逆变、电动汽车和不间断电源（UPS）等。

（a）SBD  

（b）JBS  

（c）MPS

图2-1  SiC 肖特基二极管

图2-2  1200V 20A SiC JBS和SiC MPS性能对比

图2-3  SiC JBS和Si FRD反向恢复特性对比

2.2 SiC MOSFET

平面栅碳化硅金属氧化物场效应晶体管（SiC MOSFET）具有快速开关和低导通电阻的优点。采用SiC MOSFET，可显著提高系统工作频率、减少电感、电容、滤波器和变压器的数量，从而降低系统体积、重量，实现高效、轻量化和小型化的系统需求。目前，SiC MOSFET主要应用于电机驱动、光伏逆变、储能、高压开关电源和OBC等。

如图2-4分别为平面型和沟槽型SiC MOSFET结构示意图，国际上Wolfspeed、ON和ST等主要产品为平面型结构，而Infineon和ROHM主要设计为沟槽型结构，准确地，Infineon为半胞沟槽结构，ROHM为双沟槽结构。相对来说，在相同电流等级下，沟槽型结构的元胞尺寸更小，约为平面型结构的一半，比导通电阻也更小，更适合于制作高频大功率器件。但是由于SiC材料的硬度和脆度问题导致沟槽刻蚀较难，目前国内开发产品主要以平面型为主，不断地减小元胞尺寸、降低比导通电阻、提高功率密度和可靠性。

        

  （a）平面型

   

（b）沟槽型

图2-4  平面栅SiC MOSFET结构

SiC器件的漂移层电阻比Si器件的要小，不必使用电导率调制，因此SiC MOSFET可同时实现高反向击穿电压和低导通电阻。更重要的是，SiC MOSFET的最大特点是作为单极器件，不会产生IGBT中所见到的拖尾电流，SiC MOSFET的开关速度很快且体二极管反向恢复时间短。

如图2-5所示为1200V 25mΩ SiC MOSFET开关特性及反向恢复特性测试曲线。由开关测试曲线得到，开通和关断时间分别约为60ns和91ns；由反向恢复曲线得知反向峰值电流约为10A，反向恢复时间和电流分别为20ns和120nC。

（a）开通波形，VDD=800V, ID=30A, RG=10Ω, VGS(on)=18V

（b）关断波形，VDD=800V, ID=30A, RG=10Ω, VGS(off)=-3V

（c）体二极管反向恢复波形，VR=800V, IF=20A, diF/dt=1000A/μs

图2-5 1200V 25mΩ SiC MOSFET开关及反向恢复特性测试

审核编辑：刘清