SiC功率半导体器件优势与发展前景(刘)(2015)
SiC功率半导体器件的优势和发展前景
SiC功率半导体器件的优势和发展前景SiC（碳化硅）功率半导体器件是一种新兴的半导体材料，具有许多优势和广阔的发展前景。
以下是SiC功率半导体器件的优势和发展前景。
1.高温工作能力：与传统的硅功率半导体器件相比，SiC器件能够在高温环境下工作，其工作温度可达到300摄氏度以上。
这使得SiC器件在航空航天、军事装备和汽车等应用领域具有巨大的潜力。
2.高电压耐受能力：SiC器件具有更高的击穿电场强度和较低的导通电阻，可以实现更高的电压耐受能力。
这使得SiC器件在高压和高电场应用中具有优势，如电力电子转换、电力传输和分配、电网充放电和电动车充电等。
3.高频特性：由于SiC材料的电子迁移率和终端速度较高，SiC器件具有优秀的高频特性。
这使得SiC器件在高频交流/直流转换器和射频功率放大器中具有广泛的应用。
4.低导通和开启损耗：SiC材料的电阻率较低，电流密度较大。
这导致SiC器件在导通过程中的能耗更低，进而减少了开关损耗。
相对于硅器件，SiC器件具有更高的效率和更小的温升。
这使得SiC器件在能源转换和电源管理领域具有潜在的应用前景。
5.小体积和轻量化：SiC器件的小体积和轻量化特性，使得其在高功率密度应用和紧凑空间条件下的应用更具优势。
这对于电动汽车、风力和太阳能发电系统、飞机和船舶等领域都有重要意义。
6.高可靠性和长寿命：由于SiC器件的抗辐射、抗高温、耐压击穿和抗电荷扩散等特性，它具有较高的可靠性和长寿命。
这对于军事装备、航空航天和核电等关键领域的应用具有重要意义。
SiC功率半导体器件的发展前景广阔。
随着科技的不断进步和物联网的快速发展，对于功率器件的要求愈发严苛。
在电力转换、能源管理和电动汽车等领域，对功率器件的需求将进一步增加，而SiC器件作为一种高温、高电压和高频特性都优异的功率半导体器件，将有望取代传统的硅器件，成为未来功率电子的主流。
此外，随着SiC材料的制备工艺和工艺技术的不断改进，SiC器件的成本也在逐渐下降。
SiC功率半导体器件发展历程、优势和发展前景
SiC肖特基二极管同Si超快恢复二极管的比较
二极管
高阻断电压 高开关速度
高温时稳定性好
3) 单极场效应晶体管
这里指的是MESFET(金属 半导体接触场效应晶体管) 及JFET(结型效应晶体管),它 们的结构见右图。 采用SIC特别适合制作这二 种高压大电流器件。同样, 飘移区在决定它们的优良 特性方面起决定作用。不 过这二种器件通常是常导 通型,不适合直接用于开关。 但是它们可以同低压功率 MOSFET结合构成一种常截 止型器件,因而发展这二种 高压大电流器件有重要的 意义。
右图示出4H-SIC及SI的平 面功率同 MOSFET的比导通 电阻的比较。可以看出，对 容易实现的电子迁移率 µINV=10CM2/V.S， 在1000V击 穿电压时，4H-SIC器件的比 导通电阻为SI器件的几十分 之一。而当µINV=100CM2/V.S 时，4H-SIC器件的比导通电 阻比SI器件的小100倍以上。
单相HERIC-Inverter效率
当MOSFET高温时，采 用MOSFET和JFETs 的 效率相等 测量结果包括辅助 源的损耗
效率与温度的关系(HERIC®-逆变器)
最高效率和温度无关 更小的散热装置 损耗减半 散热装置温度可以更高
效率与电压关系(HERIC®-逆变器)
SiC晶体管最高效 率与直流电压关系 不大
采用槽深1µM栅条0.6µM的4H- SIC 3KV MESFET ,其比导通电阻为 1.83MΩ-CM2,在栅压为-4V时电流为1.7X104A/CM2,截止偏压为-24V.
采用结深1µM栅条0.6µM的4H- SIC 3KV JFET，其比导通电阻为 3.93MΩ-CM2。 这些特性大大优于同类SI器件的特性。
示例1
SiC材料在电子器件中的发展利好
SiC材料在电子器件中的发展利好近年来，随着科技的不断进步，人们对电子器件的要求也越来越高。
而SiC（碳化硅）材料作为一种新兴的材料，在电子器件中的应用潜力巨大。
SiC材料具有高温耐受性、高能效、高电信号速度和强大耐辐射能力等优势，因此在电力电子、光电子、半导体等领域具有广阔的应用前景。
首先，SiC材料在电力电子领域的发展具有重大意义。
在传统的电力电子器件中，硅材料是主要的材料选择。
然而，硅在高温、高功率和高频率应用中表现出限制，这限制了电力电子系统的效率和可靠性。
SiC材料具有高熔点和高电子饱和流速，使其具有更好的导电性能，能够承受更高的温度和功率密度。
同时，SiC材料具有低互连阻抗和低开关损耗等特性，使得SiC基础的电力电子器件具有更高的效率和更小的体积。
因此，SiC材料在电力电子器件中的应用能够提高能源利用效率，降低能源消耗，推动清洁能源的发展。
其次，SiC材料在光电子领域有着广阔的应用前景。
在光电子器件中，SiC材料的物理特性使其成为优选的材料选择之一。
SiC材料具有宽能隙（约为3.26eV），能够在紫外到可见光范围内发射和检测光信号。
相较于其他材料，SiC材料的宽能隙使其对紫外线的敏感度更高，光吸收系数更大，因此SiC光电子器件具有更高的光谱区域覆盖范围和更高的量子效率。
此外，SiC材料表面的化学稳定性和耐腐蚀性能优越，使得SiC器件能够在恶劣环境下长期稳定工作。
因此，SiC材料在激光技术、探测器、光纤通信等领域有着广泛的应用。
另外，SiC材料在半导体领域也有着巨大的潜力。
半导体器件是现代电路中不可或缺的一部分，而SiC材料在制造高功率、高频率半导体器件方面具有独特的优势。
相较于传统的硅材料，SiC材料具有更高的击穿电场强度和电子饱和漂移速度，使得SiC半导体器件能够实现更高的电流密度和更高的工作频率。
此外，SiC材料的热导率较高，能够快速散热，提高器件的可靠性和稳定性。
由于这些优势，SiC材料在功率电子器件、射频器件和微波器件等领域有着广泛的应用前景。
碳化硅功率半导体
碳化硅功率半导体1. 碳化硅的特性和优势碳化硅（Silicon Carbide，SiC）是一种新型的半导体材料，其具有许多传统硅（Silicon，Si）材料所不具备的特性和优势。
主要特性和优势如下：1.1 宽带隙能量碳化硅具有较高的带隙能量，约为3.26电子伏特（eV），相比之下，硅的带隙能量仅为1.12eV。
宽带隙能量使得碳化硅具有更高的击穿电压和更低的漏电流，从而提高了功率半导体器件的性能。
1.2 高电子流动度和低电子迁移率碳化硅的电子流动度是硅的10倍以上，这意味着碳化硅器件可以承受更高的电流密度，从而实现更高的功率输出。
此外，碳化硅具有较低的电子迁移率，可以减小电流密度增加时的电阻增加效应。
1.3 高热导率和低热膨胀系数碳化硅具有较高的热导率和较低的热膨胀系数，使得碳化硅器件在高温工作环境下具有较好的热稳定性。
这使得碳化硅功率半导体器件可以在高功率、高温条件下工作，而不容易出现热失效问题。
1.4 高耐压和高温工作能力碳化硅具有较高的击穿电压，可以承受更高的电压应力。
此外，碳化硅器件的工作温度范围更广，可达到300摄氏度以上，远高于硅器件的极限。
2. 碳化硅功率半导体器件碳化硅功率半导体器件是利用碳化硅材料制造的功率电子器件，主要包括碳化硅二极管、碳化硅MOSFET、碳化硅IGBT等。
这些器件在高功率、高频率和高温度环境下具有优异的性能，广泛应用于电力电子、新能源、汽车电子等领域。
2.1 碳化硅二极管碳化硅二极管是最早商业化生产的碳化硅器件，其主要特点是低导通压降、快速开关速度和高耐压能力。
碳化硅二极管可以替代传统硅二极管，提高功率转换效率，减小能量损耗。
2.2 碳化硅MOSFET碳化硅MOSFET是一种基于金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）结构的功率半导体器件。
碳化硅MOSFET具有低导通电阻、快速开关速度和高耐压能力的特点，可应用于高频率开关电源、电动汽车驱动系统等领域。
2.3 碳化硅IGBT碳化硅绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种结合了碳化硅和硅的功率半导体器件。
SiC技术的优点、缺点介绍
高效SiC技术的介绍和分析摘要：随着电力电子变换系统对于效率和体积提出更高的要求，SiC（碳化硅）将会是越来越合适的半导体器件。
尤其针对光伏逆变器和UPS应用，SiC器件是实现其高功率密度的一种非常有效的手段。
本文主要介绍SiC技术优点、缺点及目前应用层面的一些瓶颈。
1.引言由于SiC相对于Si的一些独特性，对于SiC技术的研究，可以追溯到上世界70年代。
简单来说，SiC主要在以下3个方面具有明显的优势:击穿电压强度高（10倍于Si）更宽的能带隙（3倍于Si）热导率高（3倍于Si）这些特性使得SiC器件更适合应用在高功率密度、高开关频率的场合。
当然，这些特性也使得大规模生产面临一些障碍，直到2000年初单晶SiC晶片出现才开始逐步量产。
目前标准的是4英寸晶片，但是接下来6英寸晶片也要诞生，这会导致成本有显着的下降。
而相比之下，当今12英寸的Si晶片已经很普遍，如果预测没有问题的话，接下来4到5年的时间18英寸的Si晶片也会出现。
Vincotech公司十几年前就已经采用SiC二极管来开发功率模块。
SiC二极管由于其卓越的反向恢复特性，可以有效的减小它本身的开关损耗和IGBT的开关损耗。
SiC肖特基二极管虽然已经应用了很多年，但是还需要进一步改善价格来获得更广阔的市场。
最近几年的主要研究和应用是基于SiC的有源开关器件，比如SiC MOSFET和SiC JFET. 从目前电压等级4Kv以下的应用来看，SiC MOSET有打败SiC JFET的势头。
SiC MOSFET有着卓越的开关损耗和超小的导通损耗。
SiC MOSFET大批量商业化的最大障碍目前还是由于其居高不下的价格。
然而我们还是要综合评估整个系统成本，因为SiC MOSFET还是带来系统整个体积和其他成本的下降。
文本会介绍一些SiC和Si在效率、损耗方面的对比来证明SiC在高频应用上的优势。
采用boost模型，对比分析SiC和Si器件的损耗我们来看一下boost电路。
中国碳化硅功率半导体产业运营现状及发展前景分析报告
中国碳化硅功率半导体产业运营现状及发展前景分析报告一、产业运营现状目前，中国碳化硅功率半导体产业已经形成了一定的规模，具备了较强的研发和生产能力。
随着国内厂商的不断涌现，中国已经成为全球碳化硅功率半导体产业的最大市场之一、在技术研发方面，中国企业在碳化硅功率半导体芯片设计、制造工艺和封装等方面取得了重要突破，形成了一些具有自主知识产权的核心技术。
在生产能力方面，中国企业已经建成了一系列的生产线，能够满足国内市场需求，并开始涉足国际市场。
此外，中国在碳化硅外延片和碳化硅单晶生长技术方面也有独特的优势，为产业发展提供了坚实的基础。
二、发展前景分析1.技术突破：中国的碳化硅功率半导体产业仍然存在与国际巨头的差距，未来需要继续在芯片设计、制造工艺和封装等方面进行技术突破。
国家政府应加大对产业的支持力度，加强科研机构和企业之间的合作，提升技术创新能力。
2.市场需求：随着我国电力系统和新能源领域的快速发展，碳化硅功率半导体的应用需求呈现出快速增长趋势。
特别是在电动汽车、光伏发电、风能转换和工业自动化等领域，碳化硅功率半导体有着广阔的市场空间。
因此，未来产业的发展前景十分乐观。
3.政策支持：中国政府高度重视碳化硅功率半导体产业的发展，出台了一系列政策和措施，鼓励企业加大研发投入，加速产业化进程。
例如，国家“千人计划”和“集成电路产业发展促进计划”等政策都对碳化硅功率半导体产业进行了明确的支持。
4.国际竞争：虽然中国在碳化硅功率半导体产业已经取得了一定的实力，但与国际巨头如美国的Cree和德国的Infineon相比，还存在一定的差距。
在国际市场上，中国企业需要在技术、品牌和服务等方面不断提升，并加强国际合作，以进一步扩大市场份额。
结论：中国碳化硅功率半导体产业正处于快速发展的阶段，取得了显著的成就，并展现出广阔的发展前景。
未来，企业应继续加强技术研发，提高产品品质，不断拓展市场，同时加强合作，提升国际竞争力，努力将中国打造成为碳化硅功率半导体产业的领军国家。
SiC-碳化硅-功率半导体介绍
7
SiC
Si
SiC在高频下也工作
100
200
300
400
频率（kHz)
使用SiC功率半导体 重量 0.72kg
50mm 40mm
PFC电路 SiC-SBD的优点
SiC-SBD 优点
PFC电路：升压+直流 化
電圧 [V] 電圧 [V]
SiC-SBD
200
1000
Di 電流
160
Di 電圧
800
120
600
80
400
40
200
0
0
-40
-200
-80 0
-400
100
200
300
400
時間 [nsec]
顺⇒逆 切换时的过渡电流大幅消减
恢复损失1/10！
SiC-SBD的使用可以使PFC电路高速化。⇒ 使扼流线圈小型化 。
PFC电路：升压+直流化
Confidential 5
电流 电压 Main电路：SW电源
+ IC
IC
電流 [A] 電流 [A]
Si-FRD
200
Di 電流
160
Di 電圧
1000
V
800
120
600
80 I
40
损失 400200来自00-40
-200
-80 0
100
200
300
時間 [nsec]
-400 400
Infineon・・・量产中 CREE（ Nihon Inter ）・・・量产中 STMicro・・・量产中 新日本无线・三菱等・・・准备量产
全球及中国碳化硅(SiC)行业现状及发展趋势分析
全球及中国碳化硅（SiC）行业现状及发展趋势分析一、碳化硅产业概述碳化硅是一种无机物，化学式为SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。
碳化硅是一种半导体，在自然界中以极其罕见的矿物莫桑石的形式存在。
自1893年以来已经被大规模生产为粉末和晶体，用作磨料等。
在C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅是应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。
中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体。
碳化硅常用品种二、碳化硅行业发展相关政策近年来，随着半导体行业的迅速发展，碳化硅行业也受到各级政府的高度重视和国家产业政策的重点支持。
国家陆续出台了多项政策，鼓励碳化硅行业发展与创新，如科技部在2020年发布的《“战略性先进电子材料”重点专项2020年度项目》中指出支持功率碳化硅芯片和器件在移动储能装置中的应用(应用示范类)，为碳化硅行业提供了良好的发展环境。
碳化硅行业发展相关政策相关报告：产业研究院发布的《2024-2030年中国碳化硅（SiC）行业发展运行现状及投资战略规划报告》三、碳化硅行业产业链1、碳化硅行业产业链结构图碳化硅行业产业链主要包括原材料、衬底材料、外延材料以及器件和模块等环节。
在上游，原材料主要包括各类硅烷、氮化硼等，这些原材料经过加工后制成碳化硅衬底材料。
碳化硅衬底材料进一步加工后，可以制成外延材料。
碳化硅器件和模块被广泛应用于各个领域，包括5G通信、新能源汽车、光伏、半导体、轨道交通、钢铁行业、建材行业等。
碳化硅行业产业链结构图2、碳化硅行业上游产业分析碳化硅产业链价值量倒挂，关键部分主要集中在上游端，其中衬底生产成本占总成本的47%，外延环节成本占23%，合计上游成本占到碳化硅生产链总成本的约70%。
其中衬底制造技术壁垒最高、价值量最大，既决定了上游原材料制备的方式及相关参数，同时也决定着下游器件的性能，是未来碳化硅大规模产业化推进的核心。
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1. Si功率半导体器件的发展历程及限制
Si功率半导体器件的发展经历了如下三代: 第一代-Si双极晶体管(BJT )、晶闸管（SCR）及其派生器件。
Si及SiC P-i-N二极管击穿电压同漂移区厚度的关系
2)肖特基二极管
肖特基二极管是单极器件 （见右图） ,具有快的正到反向 的恢复时间,是电力电子中重要 的高频整流元件。对于Si 器件, 在较高击穿电压时飘移区电阻 迅速增加,由此产生显著功率损 耗。一般Si肖特基二极管工作 电压约为200V,改进的结构也不 超过600V。 SiC肖特基二极管 可以用低得多的飘移区获得很 高的击穿电压。
2. SiC功率半导体器件的优势
SiC是一种具有优异性能的第三代半导体材料, 与第一、二代半导体材料Si和GaAs相比， SiC材料及器件具有以下优势： 1) SiC的禁带宽度大（是Si的3倍，GaAs的2 倍）, 本征温度高,由此SiC功率半导体器件的 工作温度可以高达600°C。
2) SiC的击穿场强高（是Si的10倍, GaAs的7 倍）, SiC功率半导体器件的最高工作电压比 Si的同类器件高得多; 由于功率半导体器件的 导通电阻同材料击穿电场的立方成反比,因此 SiC功率半导体器件的导通电阻比Si的同类器 件的导通电阻低得多,结果SiC功率半导体器 件的开关损耗便小得多。
第二代-功率MOSFET。
MOSFET具有极高的输入阻抗，因此器件的栅控 电 件流，极 因小 而（ 可以IG~在10更0高nA的数频量率级下）（。1M0O0KSHFzE以T是上多）子实器 现开关工作，同时MOSFET具有比双极器件宽得多 的安全工作区。正是因为这些优点，使功率 MSOFET从80年代初期开始得到迅速发展，已形成 大量产品，并在实际中得到广泛的应用。
SiC肖特基二极管同Si超快恢复二极管的比较
SiC肖特基二极管 高阻断电压 高开关速度 高温时稳定性好
3) 单极场效应晶体管
这里指的是MESFET(金 属半导体接触场效应晶体 管)及JFET(结型效应晶体 管),它们的结构见右图。 采用SiC特别适合制作这 二种高压大电流器件。同 样,飘移区在决定它们的 优良特性方面起决定作用。 不过这二种器件通常是常 导通型,不适合直接用于 开关。但是它们可以同低 压功率MOSFET结合构 成一种常截止型器件,因 而发展这二种高压大电流 器件有重要的意义。
下面就一些SiC典型器件对其优势进行分析:
1) P-i-N二极管
P-i-N二极管是广泛采用的电力电子高压 整流元件。Si 的P-i-N二极管主要靠厚的本 征i飘移区维持反向高压,厚的本征i区增加了 正向导通压降。对于SiC的情形,在相同反向 耐压时,飘移区的掺杂浓度可以高很多,其厚 度比Si 器件的薄很多(见下表),由此可以得 到低的正向导通损耗。
碳化硅和硅性质比较的图示
硅--面心立方晶体 碳化硅--立方晶体(一种)和六方晶系 （4H,6H等多种)
击穿范围(MV/cm) 导热性（W/cmK) 电子迁移率(*10³cm²/Vs) 饱和速（* 1 0 7 cm/s） 带隙（eV）
SiC同Si一样,可以直接采用热氧化工艺在 SiC表面生长热SiO2,由此可以同Si一样, 采 用平面工艺制作各种SiC MOS相关的器件, 包括各种功率SiC MOSFET及IGBT。与同 属第三代半导体材料的ZnO、GaN等相比， SiC已经实现了大尺寸高质量的商用衬底， 以及低缺陷密度的SiC同质或异质结构材料, 它们为SiC功率半导体器件的产业化奠定了 良好的基础。
示例
最小导通电阻
当今水平（T-MAX):
导
Si-MOSFET: 560 mΩ
通
SiC-FET: 50 mΩ (6 mΩ)
电 阻
Ωcm²
理论极限（T-MAX):
Si-MOSFET: ≈ 400 mΩ SiC-FET: ≈ 1 mΩ
击穿电压/V
3) SiC的热导率高（是Si的2.5倍, GaAs的8 倍），饱和电子漂移速度高（是Si 及GaAs的2 倍）,适合于高温高频工作。
如上所述, 尽管Si功率半导体器件经过半个世纪的 发展取得了令人瞩目的成绩,但是由于Si材料存在难 以克服的缺点,它们使Si功率半导体器件的发展受到 极大的限制。首先, Si的较低的临界击穿场强Ec,限 制了器件的最高工作电压以及导通电阻,受限制的导 通电阻使Si功率半导体器件的开关损耗难以达到理 想状态。Si较小的禁带宽度Eg及较低的热导率λ,限 制了器件的最高工作温度(~200ºC)及最大功率。为 了满足不断发展的电力电子工业的需求,以及更好地 适应节能节电的大政方针,显然需要发展新半导体材 料的功率器件。
比但双是极，器功件率以MO更S快F的ET速的率导随通击电穿阻电rO压N以增至加于而跨变导坏g,m这 使它们在高压工作范围处于劣势。
第三代-绝缘栅双极晶体管(IGBT)。 它是一种包括MOSFET以及双极晶体管的复合功率 半导体器件,兼有功率MOSFET和双极晶体管的优点。 自1982年由美国GE公司提出以来，发展十分迅速。 商用的高压大电流IGBT器件仍在发展中，尽关德国 的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件 已经获得实际应用,但其电压和电流容量还不能完全 满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压 领域的许多应用中，要求器件的电压达到10KV以上, 目前只能通过IGBT串联等技术来实现。
功率晶闸管用来实现大容量的电流控制，在低频相位控制领 域中已得到广泛应用。但是,由于这类器件的工作频率受到 dV/dt、di/dt的限制，目前主要用在对栅关断速度要求较低的 场合（在KHz范围）。 在较高的工作频率，一般采用功率双极结晶体管，但是对以 大功率为应用目标的BJT，即使采用达林顿结构，在正向导 通和强迫性栅关断过程中，电流增益β值一般也只能做到<10， 结果器件需要相当大的基极驱动电流。此外，BJT的工作电 流密度也相对较低（～50 A/cm2），器件的并联使用困难， 同时其安全工作区（SOA）受到负阻引起的二次击穿的限制。