【導(dǎo)讀】SiC作為半導(dǎo)體功率器件材料，具有許多優(yōu)異的特性。4H-SiC與Si、GaN的物理特性對(duì)比見(jiàn)表1。與Si相比，4H-SiC擁有10倍的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)高耐壓。與另一種寬禁帶半導(dǎo)體GaN相比，物理特性相似，但在p型器件導(dǎo)通控制和熱氧化工藝形成柵極氧化膜方面存在較大差異，4H-SiC在多用途功率MOS晶體管的制備方面具有優(yōu)勢(shì)。此外，由于GaN是直接躍遷型半導(dǎo)體，少數(shù)載流子壽命較短，因此通過(guò)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻器件的效果并不理想。
與Si材料相比，SiC半導(dǎo)體材料在物理特性上優(yōu)勢(shì)明顯，比如擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、耐高溫、熱傳導(dǎo)性好等，使其適合于制造高耐壓、低損耗功率器件。本篇章帶你詳細(xì)了解SiC材料的物理特性。
SiC作為半導(dǎo)體功率器件材料，具有許多優(yōu)異的特性。4H-SiC與Si、GaN的物理特性對(duì)比見(jiàn)表1。與Si相比，4H-SiC擁有10倍的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)高耐壓。與另一種寬禁帶半導(dǎo)體GaN相比，物理特性相似，但在p型器件導(dǎo)通控制和熱氧化工藝形成柵極氧化膜方面存在較大差異，4H-SiC在多用途功率MOS晶體管的制備方面具有優(yōu)勢(shì)。此外，由于GaN是直接躍遷型半導(dǎo)體，少數(shù)載流子壽命較短，因此通過(guò)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻器件的效果并不理想。
表1：SiC和Si、GaN的物理特性對(duì)比
比較功率器件不同材料的性能時(shí)，通常使用性能指數(shù)BFOM（Baliga’s Figure of merit）。BFOM與理想單極型器件的電阻成反比，可通過(guò)以下公式計(jì)算。
由于BFOM與擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的三次方成正比，而SiC的數(shù)值是Si的10倍，這有利于實(shí)現(xiàn)低電阻單極器件。根據(jù)表中數(shù)值，與Si相比，SiC單極性器件的電阻有可能降低至Si的1/667。此外，電阻與器件擊穿電壓的平方成正比，因此對(duì)于高耐壓（額定電壓），單極性器件的電阻會(huì)急劇增加。所以，使用Si材料來(lái)實(shí)現(xiàn)千伏級(jí)耐壓的單極性器件并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)殡娮柽^(guò)大，但可以通過(guò)使用SiC來(lái)實(shí)現(xiàn)。SiC器件的主要目標(biāo)就在中高壓領(lǐng)域，三菱電機(jī)率先使用SiC實(shí)現(xiàn)了千伏級(jí)單極性器件，為包括鐵路牽引系統(tǒng)在內(nèi)的許多電力電子系統(tǒng)帶來(lái)了革新。
關(guān)于SiC物理特性的各向異性，在制造器件時(shí)需要考慮幾個(gè)問(wèn)題。4H-SiC的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度在（0001）方向（襯底厚度方向）的值比其他方向大。對(duì)于體電子遷移率，（0001）方向也比其他方向大。另一方面，比較采用SiC各晶面制造的MOS結(jié)構(gòu)的溝道遷移率，（0001）面的值較小，而垂直于（0001）面的值較大，這意味著，與在（0001）面制造的平面柵MOS相比，溝槽柵MOS的溝道電阻更低。
存在于SiC MOS界面的載流子捕獲，它是SiC MOSFET特性不穩(wěn)定和經(jīng)時(shí)變化的原因，目前改善措施正在進(jìn)行中。三菱電機(jī)已開(kāi)發(fā)出一種可提高穩(wěn)定性的MOS界面形成方法，實(shí)現(xiàn)了MOS特性的穩(wěn)定性。
熱氧化膜的生長(zhǎng)速度也因晶面的不同而存在很大差異，例如，（000-1）面的氧化速度約為（0001）面的10倍。在器件制造過(guò)程中，需考慮到氧化速度的各向異性，并根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)制造工藝做出相應(yīng)的處理。
寬禁帶半導(dǎo)體通常難以實(shí)現(xiàn)兩種導(dǎo)電方式，要么p型導(dǎo)電，要么n型導(dǎo)電。盡管SiC是一種寬禁帶半導(dǎo)體，但它是少數(shù)幾種可制造出p型和n型高載流子濃度的材料之一。通常，用于n型半導(dǎo)體導(dǎo)電性控制的摻雜是V族元素的氮、磷，而用于p型半導(dǎo)體導(dǎo)電性控制的摻雜是III族元素的鋁、硼。關(guān)于硼，由于受主能級(jí)較深，無(wú)法獲得低電阻p型半導(dǎo)體，因此常用在保持器件耐壓的終端區(qū)域。此外，與Si等材料相比，由于SiC的晶體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，摻雜原子取代的位置不同會(huì)導(dǎo)致形成的能級(jí)不同。在推導(dǎo)載流子遷移率、估算電阻值的溫度依賴性等方面，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)需要考慮這一點(diǎn)，但在估算器件特性時(shí)，使用平均值并沒(méi)有問(wèn)題。
SiC作為功率器件材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其熱導(dǎo)率高（約為Si的3倍）。這一優(yōu)勢(shì)得益于SiC原子間距短、鍵合力強(qiáng)，有助于降低器件工作時(shí)的最高溫度。此外，即使在高達(dá)800℃的溫度下，SiC仍能保持其半導(dǎo)體特性。目前，除SiC外的其他材料，使用溫度的上限受到限制，仍在繼續(xù)開(kāi)發(fā)中。
另外，在將SiC應(yīng)用于功率芯片時(shí)，需考慮SiC材料的特性，其楊氏模量較大（約為Si的3倍），是一種非常硬的材料，因此受溫度循環(huán)等因素產(chǎn)生的應(yīng)力可能會(huì)非常大，這可能成為決定器件壽命的主要因素。
關(guān)于三菱電機(jī)
三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。截止2024年3月31日的財(cái)年，集團(tuán)營(yíng)收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng)，三菱電機(jī)從事開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有68年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車(chē)、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無(wú)線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
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