一、碳化硅的来源

碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑为原料经过电阻炉高温锻炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿藏，莫桑石。 碳化硅又称碳硅石。在今世C、N、B等非氧化物高技本领火原猜中，碳化硅为运用最广泛、最经济的一种。能够称为金钢砂或耐火砂。

碳化硅因为化学功能安稳、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨功能好，除作磨料用外，还有许多其他用处，例如：以特别工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可进步其耐磨性而延伸运用寿命1～2倍；用以制成的高档耐火资料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能作用好。低等第碳化硅（含SiC约85%）是极好的脱氧剂，用它可加速炼钢速度，并便于操控化学成分，进步钢的质量。此外，碳化硅还许多用于制作电热元件硅碳棒。

碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），具有优秀的导热功能，是一种半导体，高温时能抗氧化。

碳化硅进程表

1905年 第一次在陨石中发现碳化硅

1907年 第一只碳化硅晶体发光二极管诞生

1955年 理论和技能上重大打破，LELY提出成长高品质碳化概念，从此将SiC作为重要的电子资料

1958年 在波士顿举行第一次世界碳化硅会议进行学术交流

1978年 六、七十年代碳化硅首要由前苏联进行研讨。到1978年初次选用“LELY改进技能”的晶粒提纯成长办法

1987年～至今以CREE的研讨效果树立碳化硅出产线，供货商开端供给商品化的碳化硅基。

2001年德国Infineon公司推出SiC二极管产品，美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本，罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。

二、碳化硅器材的优势特性

碳化硅（SiC）是现在开展最成熟的宽禁带半导体资料，世界各国对SiC的研讨十分重视，纷繁投入许多的人力物力积极开展，美国、欧洲、日本等不仅从国家层面上拟定了相应的研讨规划，并且一些世界电子业巨头也都投入巨资开展碳化硅半导体器材。

与一般硅比较，选用碳化硅的元器材有如下特性：

高压特性

碳化硅器材是平等硅器材耐压的10倍

碳化硅肖特基管耐压可达2400V。

碳化硅场效应管耐压可达数万伏，且通态电阻并不很大。

高温特性

在Si资料现已挨近理论功能极限的今日，SiC功率器材因其高耐压、低损耗、高功率等特性，一向被视为“抱负器材”而备受等待。可是，相关于以往的Si原料器材，SiC功率器材在功能与本钱间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器材能否真实遍及的要害。

现在,低功耗的碳化硅器材现已从实验室进入了有用器材出产阶段。现在碳化硅圆片的价格还较高,其缺点也多。经过不断的研讨开发,估计到2010年前后,碳化硅器材将操纵功率器材的商场。但实际上并非如此。

三、最受重视的碳化硅MOS

SiC器材分类

SiC-MOSFET

SiC-MOSFET 是碳化硅电力电子器材研讨中最受重视的器材。效果比较突出的就是美国的Cree公司和日本的ROHM公司。

在Si资料现已挨近理论功能极限的今日，SiC功率器材因其高耐压、低损耗、高功率等特性，一向被视为“抱负器材”而备受等待。可是，相关于以往的Si原料器材，SiC功率器材在功能与本钱间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器材能否真实遍及的要害。

碳化硅MOS的结构

碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源区和P井掺杂都是选用离子注入的办法，在1700℃温度中进行退火激活。另一个要害的工艺是碳化硅MOS栅氧化物的构成。因为碳化硅材猜中一起有Si和C两种原子存在，需求十分特别的栅介质成长办法。其沟槽星结构的优势如下：

平面vs沟槽

SiC-MOSFET选用沟槽结构可最大极限地发挥SiC的特性。

碳化硅MOS的优势

硅IGBT在一般状况下只能作业在20kHz以下的频率。因为遭到资料的约束，高压高频的硅器材无法完成。碳化硅MOSFET不仅合适于从600V到10kV的广泛电压规模，一起具有单极型器材的杰出开关功能。比较于硅IGBT，碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的状况具有更低的开关损耗和更高的作业频率。

20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗能够比3kHz的硅IGBT模块低一半， 50A的碳化硅模块就能够替换150A的硅模块。显现了碳化硅MOSFET在工作频率和功率上的巨大优势。

碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时刻trr和反向恢复电荷Qrr。如图所示，同一额定电流900V的器材，碳化硅MOSFET 寄生二极管反向电荷只需平等电压标准硅基MOSFET的5%。关于桥式电路来说（特别当LLC变换器作业在高于谐振频率的时分），这个方针十分要害，它能够减小死区时刻以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，便于进步开关工作频率。

碳化硅MOS管的作用

碳化硅MOSFET模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力体系运用上具有巨大的优势。碳化硅器材的高压高频和高功率的优势，能够打破现有电动汽车电机规划上因器材功能而遭到的约束，这是现在国内外电动汽车电机范畴研制的要点。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）内功率操控单元（PCU），运用碳化硅MOSFET模块，体积比减小到1/5。三菱开发的EV马达驱动体系，运用SiC MOSFET模块，功率驱动模块集成到了电机内，完成了一体化和小型化方针。估计在2018年-2020年碳化硅MOSFET模块将广泛运用在国内外的电动汽车上。

四、碳化硅肖特二极管

碳化硅肖特基二极管

碳化硅肖特基二极管结构

碳化硅肖特基二极管（SiC SBD）的器材选用了结势垒肖特基二极管结构（JBS），能够有效降低反向漏电流，具有更好的耐高压才能。

碳化硅肖特基二极管优势

碳化硅肖特基二极管是一种单极型器材，因而比较于传统的硅快恢复二极管（Si FRD），碳化硅肖特基二极管具有抱负的反向恢复特性。在器材从正导游通向反向阻断变换时，简直没有反向恢复电流（如图1.2a），反向恢复时刻小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二极管的反向恢复时刻在10ns以内。因而碳化硅肖特基二极管能够作业在更高的频率，在相同频率下具有更高的功率。另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数，跟着温度的上升电阻也逐步上升，这与硅FRD正好相反。这使得碳化硅肖特基二极管十分合适并联有用，增加了体系的安全性和可靠性。

归纳碳化硅肖特基二极管的首要优势，有如下特点：

1. 简直无开关损耗

2. 更高的开关频率

3. 更高的功率

4. 更高的作业温度

5. 正的温度系数，合适于并联工作

6. 开关特性简直与温度无关

碳化硅肖特基二极管的运用

碳化硅肖特基二极管可广泛运用于开关电源、功率要素校对（PFC）电路、不间断电源（UPS）、光伏逆变器等中高功率范畴，可明显的削减电路的损耗，进步电路的作业频率。在PFC电路顶用碳化硅SBD替代本来的硅FRD，可使电路作业在300kHz以上，功率根本坚持不变，而比较下运用硅FRD的电路在100kHz以上的功率急剧下降。跟着工作频率的进步，电感等无源原件的体积相应下降，整个电路板的体积下降30%以上。

五、人们是怎么评估碳化硅的?

简直凡能读到的文章都是这样介绍碳化硅：

碳化硅的能带距离为硅的2.8倍(宽禁带),到达3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍,高达3.2MV/cm.其导热率是硅的3.3倍,为49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二极管及MOS场效应晶体管,与相同耐压的硅器材比较,其漂移电阻区的厚度薄了一个数量级。其杂质浓度可为硅的2个数量级。由此,碳化硅器材的单位面 积的阻抗仅为硅器材的100分之一。它的漂移电阻简直就等于器材的悉数电阻。因而碳化硅器材的发热量极低。这有助于削减传导和开关损耗，工作频率一般也要比硅器材高10倍以上。此外，碳化硅半导体还有的固有的强抗辐射才能。

近年运用碳化硅资料制作的IGBT(绝缘栅双极晶体管)等功率器材,已可选用少子注入等工艺,使其通态阻抗减为一般硅器材的十分之一。再加上碳化硅器材自身发热量小,因而碳化硅器材的导热功能极优。还有,碳化硅功率器材可在400℃的高温下正常工作。其可运用体积微小的器材操控很大的电流。工作电压也高得多。

六、现在碳化硅器材开展状况怎么?

1，技能参数：举例来说，肖特基二极管电压由250伏进步到1000伏以上，芯片面积小了，但电流只需几十安。工作温度进步到180℃，离介绍能达600℃相差很远。压降更不尽人意，与硅资料没有不同，高的正向压降要到达2V。

2，商场价格：约为硅资料制作的5到6倍。

七、碳化硅(SiC)器材开展中的难题在哪里?

归纳各种报导，难题不在芯片的原理规划，特别是芯片结构规划处理好并不难。难在完成芯片结构的制作工艺。

举例如下：

1，碳化硅晶片的微管缺点密度。微管是一种肉眼都能够看得见的微观缺点，在碳化硅晶体成长技能开展到能彻底消除微管缺点之前，大功率电力电子器材就难以用碳化硅来制作。虽然优质晶片的微管密度已到达不超越15cm-2 的水平。但器材制作要求直径超越100mm的碳化硅晶体，微管密度低于0.5cm-2 。

2，外延工艺功率低。碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。因为有进步的问题，温度不能太高，一般不能超越1800℃，因而成长速率较低。液相外延温度较低、速率较高，但产值较低。

3，掺杂工艺有特别要求。如用分散办法进行惨杂，碳化硅分散温度远高于硅，此时掩蔽用的SiO2层已失去了掩蔽作用，并且碳化硅自身在这样的高温下也不安稳，因而不宜选用分散法掺杂，而要用离子注入掺杂。如果p型离子注入的杂质运用铝。因为铝原子比碳原子大得多，注入对晶格的损害和杂质处于未激活状况的状况都比较严重，往往要在适当高的衬底温度下进行，并在更高的温度下退火。这样就带来了晶片外表碳化硅分化、硅原子进步的问题。现在，p型离子注入的问题还比较多，从杂质选择到退火温度的一系列工艺参数都还需求优化。

4，欧姆触摸的制作。欧姆触摸是器材电极引出十分重要的一项工艺。在碳化硅晶片上制作金属电极，要求触摸电阻低于10- 5Ωcm2，电极资料用Ni和Al能够到达，但在100℃ 以上时热安稳性较差。选用Al/Ni/W/Au复合电极能够把热安稳性进步到600℃、100h ，不过其触摸比电阻高达10- 3Ωcm2 。所以要构成好的碳化硅的欧姆触摸比较难。

5，配套资料的耐温。碳化硅芯片可在600℃温度下作业，但与其配套的资料就不见得本领此高温。例如，电极资料、焊料、外壳、绝缘资料等都约束了作业温度的进步。

以上仅举数例，不是悉数。还有许多工艺问题还没有抱负的处理办法，如碳化硅半导体外表挖槽工艺、终端钝化工艺、栅氧层的界面态对碳化硅MOSFET器材的长期安稳性影响方面，行业中还有没有到达共同的定论等，大大阻碍了碳化硅功率器材的快速开展。

八、为什么SIC器材还不能遍及？

早在20世纪60年代，碳化硅器材的长处现已为人们所熟知。之所以现在没有推广遍及，是因为存在着许多包含制作在内的许多技能问题。直到现在SIC资料的工业运用首要是作为磨料（金刚砂）运用。

SIC在能够操控的压力规模内不会消融，而是在约2500℃的进步点上直接转变为气态。所以SIC 单晶的成长只能从气相开端，这个进程比SIC的成长要复杂的多，SI在大约1400℃左右就会熔化。使SIC技能不能获得商业成功的首要妨碍是缺少一种合适的用于工业化出产功率半导体器材的衬底资料。对SI的状况,单晶衬底经常指硅片（wafer）,它是从事出产的前提和确保。一种成长大面积 SIC衬底的办法以在20世纪70年代末研制成功。可是用改进的称为Lely办法成长的衬底被一种微管缺点所困扰。

只需一根微管穿过高压PN结就会损坏PN结阻断电压的才能，在曩昔三年中，这种缺点密度已从每平方毫米几万根降到几十根。除了这种改进外，当器材的最大尺度被约束在几个平方毫米时，出产成品率可能在大于百分之几，这样每个器材的最大额定电流为几个安培。因而在SIC功率器材获得商业化成功之前需求对SIC的衬底资料作更大技能改进。

SIC工业出产的晶片和最佳晶片的微管密度的开展

制作不同器材成品率为40% 和90% 的微管密度值

上图看出，现在SIC资料，光电子器材已满足要求，现已不受资料质量影响，器材的工业出产成品率，可靠性等功能也符合要求。高频器材首要包含MOSFET SCHOTTKY二极管内的单极器材。SIC资料的微管缺点密度根本到达要求，仅对成品率还有必定影响。高压大功率器材用SIC资料大约还要二年的时刻，进一步改进资料缺点密度。总之不论现在存在什么困难，半导体怎么开展， SIC无疑是新世纪一种充满希望的资料。

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