SiC器件是一種新型的硅基MOSFET，特別是SiC功率器件具有更高的開(kāi)關(guān)速度和更寬的輸出頻率。SiC功率芯片主要由MOSFET和PN結(jié)組成。
在眾多的半導(dǎo)體器件中，碳化硅材料具有低熱導(dǎo)率、高擊穿電場(chǎng)、高電子飽和漂移速度、高電子遷移率等優(yōu)異的性能。因此，碳化硅半導(dǎo)體器件是目前綜合性能最好的半導(dǎo)體器件之一。

碳化硅器件由于其優(yōu)越的電學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但要使其具有商業(yè)價(jià)值，必須解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：
1、低導(dǎo)通電阻：相同功率的碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管比相同尺寸的硅器件小一半左右。
2、低噪音:由于碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的高頻噪聲比傳統(tǒng)硅低2個(gè)數(shù)量級(jí)，可以滿足未來(lái)超高分辨率和更高頻率對(duì)更高分辨率和更小尺寸的要求。
3、超高耐壓能力：在同等條件下，碳化硅晶體管可承受更高的電壓波動(dòng)范圍。
4、高效散熱設(shè)計(jì)原理：在高溫或高頻下工作時(shí)，碳化硅場(chǎng)效應(yīng)器件的散熱能力最強(qiáng)。

碳化硅（SiC）半導(dǎo)體是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度可達(dá)3.18 eV，而Si和Ge的禁帶寬度分別為3.4 eV和2.7 eV，因此具有更高的擊穿電壓。包括目前廣泛應(yīng)用于電力電子器件的硅、鍺。目前來(lái)看，他們的發(fā)展還不夠成熟。碳化硅、氮化鎵在高頻功率器件、高壓大電流場(chǎng)合等應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。
隨著國(guó)家新能源政策引導(dǎo)下對(duì)光伏發(fā)電的大力支持和碳化硅優(yōu)勢(shì)的日益明顯，碳化硅半導(dǎo)體器件受到了越來(lái)越多科技工作者和企業(yè)界人士的關(guān)注。
碳化硅基半導(dǎo)體器件的研制過(guò)程中，工藝技術(shù)方面還存在許多問(wèn)題，需要進(jìn)一步完善。
這些主要包括：在高溫高壓技術(shù)方面，碳化硅基晶體管在高溫高壓條件下會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。
低溫絕緣的問(wèn)題主要是由于電子遷移率與溫度的復(fù)雜關(guān)系造成的。
為了解決這些問(wèn)題，KeepTops開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品。

1. 耐壓性
碳化硅基半導(dǎo)體器件是工作電壓在25～500V之間的高頻開(kāi)關(guān)器件，因此需要在耐壓方面有更高的要求。
隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，傳統(tǒng)的硅MOSFET逐漸被碳化硅MOSFET所取代。由于SiC基MOSFET具有更高的耐電壓，SiC基功率半導(dǎo)體器件已成為高壓高頻開(kāi)關(guān)器件的主流解決方案。
碳化硅半導(dǎo)體是一種理想的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的高溫性能和熱穩(wěn)定性。還具有耐高壓、耐高溫、高導(dǎo)熱等特點(diǎn)。因此，它被廣泛應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)和大功率電源中，電力電子器件等領(lǐng)域。
碳化硅半導(dǎo)體器件具有耐高壓性能，因?yàn)樗梢栽诟邷叵聦?shí)現(xiàn)高電子遷移率，有效降低熱損耗，提高高頻下的轉(zhuǎn)換效率。
由于SiC具有高的熱導(dǎo)率和寬的禁帶特性，在高壓下獲得高轉(zhuǎn)換效率將成為SiC基MOS功率半導(dǎo)體器件的一個(gè)重要發(fā)展方向。

2. 漏電流
SiC具有很高的熱導(dǎo)率，從而降低了器件的熱阻。隨著頻率的增加，它的熱阻也會(huì)上升。但這并不意味著SiC不需要散熱系統(tǒng)。如果沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的散熱系統(tǒng)，SiC也可以在更高頻率的環(huán)境下工作，采用金屬接觸技術(shù)也可以降低熱阻，但會(huì)增加器件功耗。
碳化硅具有優(yōu)良的高頻特性，其工作頻率超過(guò)100 kHz。目前主要采用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)實(shí)現(xiàn)低損耗和耐高壓。

3. 開(kāi)關(guān)速度
與硅器件相比，碳化硅晶體管具有更高的擊穿電壓和比功率。
SiC基場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電壓比Si基場(chǎng)效應(yīng)管低，但開(kāi)關(guān)速度更快，達(dá)到200 ns。 與SiC基半導(dǎo)體器件相比，SiC的熱性能（尤其是開(kāi)關(guān)性能）和電性能都很低，因此對(duì)熱循環(huán)沒(méi)有很高的要求。這對(duì)于在高溫高壓下工作的碳化硅器件尤為重要。
為了提高器件的耐高溫、高壓能力，可以采用多種方法

使用單晶材料，具有良好的耐腐蝕性、耐熱性和絕緣性能。通過(guò)優(yōu)化摻雜工藝可以提高材料的導(dǎo)電性。改變摻雜濃度可以提高器件的擊穿電壓。通過(guò)調(diào)整SiC的摻雜濃度來(lái)滿足不同電流水平下的耐高溫和耐電壓要求，調(diào)整工作溫度的方法。

目前，碳化硅基器件的工作溫度主要在600°C至1200°C之間。碳化硅雖然具有耐高溫的特性，但在高溫下器件性能也會(huì)有一定程度的下降。因此，碳化硅基器件在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步研究，尤其是耐熱器件。在高溫條件下，器件表面容易產(chǎn)生熱阻基于碳化硅的薄膜晶體管能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高功率密度封裝。

但低于600°C時(shí)，器件的絕緣性能會(huì)下降，需要增加保護(hù)電路來(lái)降低絕緣溫度。但是，隨著材料中摻雜濃度的降低，材料結(jié)構(gòu)變化較小。同時(shí)，基于碳化硅的晶體管可以達(dá)到低于2 eV的低溫截止電壓。碳化硅基材料具有耐高壓、耐熱性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，在功率放大器等高壓、高頻領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

開(kāi)關(guān)頻率和動(dòng)態(tài)范圍
由于碳化硅基半導(dǎo)體器件具有更高的擊穿電壓和更高的熱導(dǎo)率，碳化硅電子器件可以承受更高的工作頻率，在高頻和高溫條件下使用時(shí)可以減少熱應(yīng)力。對(duì)可靠性的影響。
碳化硅基半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)速度快，在高頻應(yīng)用中不會(huì)因低動(dòng)態(tài)范圍而受到信號(hào)抖動(dòng)的困擾。
通過(guò)采用不同的技術(shù)方法，可以有效地提高碳化硅半導(dǎo)體器件在高頻、高壓、大電流條件下的性能。
目前，業(yè)界對(duì)碳化硅半導(dǎo)體器件實(shí)施了多種封裝形式，并通過(guò)模擬和測(cè)試研究了碳化硅器件在高溫高壓下的性能。
其中有：采用SiC陶瓷襯底（如Baseline、NCVD等）和碳化硅基體材料（如Incoloy-N和Si0-Bi）組成的疊層結(jié)構(gòu)，將SiC疊層電極封裝在襯底上并與之形成共形結(jié)構(gòu)。這種封裝結(jié)構(gòu)可以有效降低器件本身的熱膨脹系數(shù)，讓碳化硅晶體管具有更高的開(kāi)關(guān)頻率。

反向恢復(fù)時(shí)間是指半導(dǎo)體器件在反向偏置時(shí)從零漂移到近零漂移的轉(zhuǎn)換時(shí)間。取決于材料和工藝。目前比較常用的是SiC MOSFET的反向恢復(fù)時(shí)間。反向恢復(fù)時(shí)間越短，電流容量越大
一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)二極管在工作過(guò)程中的最高溫度高于臨界溫度（或擊穿溫度）時(shí)，半導(dǎo)體器件會(huì)產(chǎn)生顯著的熱應(yīng)力，導(dǎo)致器件失效。因此，有必要預(yù)測(cè)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的最高溫度和臨界溫度。
業(yè)界目前使用一種方法來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)備的反向恢復(fù)時(shí)間：使用一系列參數(shù)來(lái)比較設(shè)備在不同操作條件下發(fā)生故障時(shí)所需的正向恢復(fù)時(shí)間和可逆性，從而實(shí)現(xiàn)反向恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)間預(yù)測(cè)。
碳化硅器件的尺寸對(duì)成本的影響較大。根據(jù)目前SiC器件產(chǎn)品的技術(shù)水平，其成本可能比硅器件低30%至50%，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著尺寸的增大，其成本將進(jìn)一步增加。
如果用相同尺寸的器件在相同的工藝水平上制造碳化硅功率晶體管和二極管，所需的設(shè)備投資和材料成本將相對(duì)較高。因?yàn)橄嗤叽绲煌牧希ɡ?a target="_blank">IGBT）的功率管可以實(shí)現(xiàn)相同的功率輸出能力。
市場(chǎng)上已經(jīng)有一些公司使用碳化硅進(jìn)行生產(chǎn)。但是，由于碳化硅基半導(dǎo)體材料本身在高溫高壓下容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，使用碳化硅的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高。

審核編輯 黃宇