什么是碳化硅SiC？

近年来，使用“功率元器件”或“功率半导体”等说法，以大功率低损耗为目的二极管和晶体管等分立（分立半导体）元器件备受瞩目。这是因为，为了应对全球共通的 “节能化”和“小型化”课题，需要高效率高性能的功率元器件。
然而，最近经常听到的“功率元器件”，具体来说是基于什么定义来分类的呢？恐怕是没有一个明确的分类的，但是，可按以高电压大功率的AC/DC转换和功率转换为目的的二极管和MOSFET，以及作为电源输出段的功率模块等来分类等等。

SiC（碳化硅）是一种由硅（Si）和碳（C）构成的化合物半导体材料。表 1-1 列出了各种半导体材料的电气特征，SiC 的优点不 仅在于其绝缘击穿场强（Breakdown Field）是 Si 的 10 倍，带隙（Energy Gap）是 Si 的 3 倍，而且在器件制造时可以在较宽的范 围内实现必要的 P 型、N 型控制，所以被认为是一种超越 Si 极限的用于制造功率器件的材料。SiC 存在各种多型体（结晶多系）， 它们的物性值也各不相同。最适合于制造功率器件的是 4H-SiC，现在 4inch～6inch 的单晶晶圆已经实现了量产。

为什么要发展碳化硅?

第一代元素半导体材料：如硅（Si）和锗(Ge)；

第二代化合物半导体材料：如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等；

第三代宽禁带材料：如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（ALN）、氧化镓（Ga2O3）等。

第三代半导体材料又称宽禁带半导体材料，和传统硅材料的主要区别在禁带宽度上。具体来说，禁带宽度是判断一种半导体材料击穿电压高低的重要标志，禁带宽度值越大，则这种材料做成器件耐高压的能力越强。除了更耐高压，碳化硅基功率器件在开关频率、散热能力和损耗 等指标上也远远好于硅基器件。此外碳化硅材料能够把器件体积做的越来越小，能量密度越来越大，这也是全球主要的半导体巨头都在不断研发碳化硅器件的重要原因。

②弯道超车已有先例：在传统 IGBT 领域，英飞凌占据了绝对优势。但由于英飞凌未向上游布局碳化硅衬底生产环节布局，其碳化硅 MOSFET 开发进度明显落后于科锐、罗姆公司，在碳化硅器件需求大增背景下，科锐弯道超车成了碳化硅功率器件第一，且碳化硅器件有取代IGBT的趋势，有些专家纪要提出新能源汽车高续航需800V必须用碳化硅，充电效率可翻倍，目前400V还可用IGBT。国内企业也是抓紧了布局碳化硅衬底，上市公司已计划真金白银砸了数百亿。

碳化硅的特性

SiC 的绝缘击穿场强是 Si 的 10 倍，因此与 Si 器件相比，能够以更高的掺杂浓度并且膜厚更薄的漂移层制作出 600V～数千 V 的

高压功率器件。高压功率器件的电阻成分主要由该漂移层的电阻所组成，因此使用 SiC 材料可以实现单位面积导通电阻非常低的

高压器件。理论上当耐压相等时，SiC 在单位面积下的漂移层电阻可以降低到 Si 的 1/300。对于 Si 材料来说，为了改善由于器件

高压化所带来的导通电阻增大的问题，主要使用例如 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅极双极型晶体管）等少数载

流子器件（双极型器件），但是却存在开关损耗较大的问题，其结果是所产生的发热问题限制了 IGBT 的高频驱动应用。SiC 材料

能够以具有快速器件结构特征的多数载流子器件（肖特基势垒二极管和 MOSFET）实现高压化，因此可以同时实现“高耐压”、

“低导通电阻”、“高频”这三个特性。

另外，SiC 的带隙较宽、大约是 Si 的 3 倍，因此能够实现在高温条件下也可以稳定工作的功率器件（目前由于受到封装的耐热

可靠性的制约，只保证到 150℃～175℃，但是随着封装技术的发展，将来也可能达到 200℃以上的保证温度）。