第三代半导体“碳化硅（SiC）器件”基础知识详解--【其利天下】

一、 底层逻辑为什么碳化硅是“必须拿下”的战略高地如果说硅Si是半导体产业的过去和现在那么碳化硅SiC无疑代表着充满爆发力的未来。它的投资逻辑牢牢锚定在下游两大“吞金兽”产业的痛点上新能源的高压化与AI算力的物理极限。逻辑一击穿800V高压平台的“终极密码”无论是新能源汽车迈入800V高压快充时代还是AI数据中心为了降低铜损和发热而转向800V HVDC高压直流母线供电“耐高压”都是第一道门槛。 传统硅基器件的物理极限在这里被彻底打破而碳化硅的临界击穿场强约为硅的10倍。这意味着在同等耐压下碳化硅器件可以做得极薄、导通电阻极低理论上是硅的1/300。它不仅轻松解决了800V耐压难题还顺带实现了系统级的极致能效。逻辑二AI先进封装与散热的“破局者”AI大模型的爆发让芯片功耗直冲云霄。在台积电CoWoS等先进封装路径中多颗HBM高带宽内存与GPU高密度堆叠导致热密度急剧上升传统的硅中介层面临严重的散热不畅和受热翘曲问题。 此时碳化硅高热导率约为硅的3倍、高硬度与低热膨胀系数的特性就成了“救星”。作为AI芯片的散热基座或中介层材料SiC能迅速缩短热扩散路径有效抑制翘曲承载更大面积、更高I/O密度的下一代AI芯片设计。逻辑三供需共振从“小众”走向“大众”随着6英寸向8英寸甚至12英寸的晶圆迭代碳化硅的晶体缺陷密度大幅降低良率持续改善。在光伏逆变、电网变换、AI数据中心等场景的全面拥抱下碳化硅正迎来技术迭代与需求爆发的双重窗口期一个长期的供需缺口正在显现。一、碳化硅SiC材料的物性和特征碳化硅SiC是一种由Si硅和C碳构成的化合物半导体材料。SiC临界击穿场强是Si的10倍带隙是Si的3倍热导率是Si的3倍所以被认为是一种超越Si极限的功率器件材料。SiC中存在各种多种晶型它们的物性值也各不相同。其中4H-SiC最合适用于功率器件制作。另外SiC是唯一能够热氧化形成SiO2的化合物半导体所以适合制备MOS型功率器件。二、碳化硅SiC功率器件的特征SiC的临界击穿场强是Si的10倍因此与Si器件相比能够以具有更高的杂质浓度和更薄的厚度的漂移层作出高耐压功率器件。高耐压功率器件的导通电阻主要来源于漂移层电阻因此采用SiC可以得到单位面积导通电阻非常低的高耐压器件。理论上相同耐压的器件SiC的单位面积的漂移层电阻可以降低到Si的1/300。而Si材料中为了改善伴随高耐压化而引起的导通电阻增大的问题主要采用如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 绝缘栅双极型晶体管)等少数载流子器件双极型器件但是却存在开关损耗大的问题其结果是由此产生的发热会限制IGBT的高频驱动。SiC材料却能够以高频器件结构的多数载流子器件(肖特基势垒二极管和MOSFET)去实现高耐压从而同时实现高耐压、低导通电阻、高频这三个特性。另外带隙较宽是Si的3倍因此SiC功率器件即使在高温下也可以稳定工作。三、碳化硅SiC MOSFET特征a. 器件结构和特征Si材料中越是高耐压器件单位面积的导通电阻也越大以耐压值的约22.5次方的比例增加因此600V以上的电压中主要采用IGBT绝缘栅极双极型晶体管。IGBT通过电导率调制向漂移层内注入作为少数载流子的空穴因此导通电阻比MOSFET还要小但是同时由于少数载流子的积聚在Turn-off时会产生尾电流从而造成极大的开关损耗。SiC器件漂移层电阻比Si器件低不需要进行电导调制就能够以MOSFET实现高耐压和低导通电阻。而且MOSFET原理上不产生尾电流所以用SiC-MOSFET替代IGBT时能够明显地减少开关损耗并且实现散热部件的小型化。另外SiC-MOSFET能够在IGBT不能工作的高频条件下驱动从而也可以实现无源器件的小型化。与600V900V的Si-MOSFET相比SiC-MOSFET的优势在于芯片面积小可实现小型封装而且体二极管的恢复损耗非常小。主要应用于工业机器电源、高效率功率调节器的逆变器或转换器中。b. 标准化导通电阻SiC的绝缘击穿场强是Si的10倍所以能够以低阻抗、薄厚度的漂移层实现高耐压。因此在相同的耐压值情况下SiC可以得到单位面积导通电阻更低的器件。例如900V时SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1就可以实现相同的导通电阻。不仅能够以小封装实现低导通电阻而且能够使门极电荷量Qg、结电容也变小。SJ-MOSFET只有900V的产品但是SiC却能够以很低的导通电阻轻松实现1700V以上的耐压。因此没有必要再采用IGBT这种双极型器件结构导通电阻变低则开关速度变慢就可以实现低导通电阻、高耐压、快速开关等各优点兼备的器件。c. Vd-Id特性SiC-MOSFET与IGBT不同不存在开启电压所以从小电流到大电流的宽电流范围内都能够实现低导通损耗。而Si-MOSFET在150℃时导通电阻上升为室温条件下的2倍以上与Si-MOSFET不同SiC-MOSFET的上升率比较低因此易于热设计且高温下的导通电阻也很低。d. 驱动门极电压和导通电阻SiC-MOSFET的漂移层阻抗比Si-MOSFET低但是另一方面按照现在的技术水平SiC-MOSFET的MOS沟道部分的迁移率比较低所以沟道部的阻抗比Si器件要高。因此越高的门极电压可以得到越低的导通电阻(Vgs20V以上则逐渐饱和)。