碳化硅(SiC)是比較新的半導(dǎo)體材料。一開(kāi)始,我們先來(lái)了解一下它的物理特性和特征。
SiC的物理特性和特征
SiC是由硅(Si)和碳(C)組成的化合物半導(dǎo)體材料。其結(jié)合力非常強(qiáng),在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定。SiC存在各種多型體(多晶型體),它們的物理特性值各有不同。4H-SiC最適用于功率元器件。下表為Si和近幾年經(jīng)常聽(tīng)到的半導(dǎo)體材料的比較。
3英寸4H-SiC晶圓
表中黃色高亮部分是Si與SiC的比較。藍(lán)色部分是用于功率元器件時(shí)的重要參數(shù)。如數(shù)值所示,SiC的這些參數(shù)頗具優(yōu)勢(shì)。另外,與其他新材料不同,它的一大特征是元器件制造所需的p型、n型控制范圍很廣,這點(diǎn)與Si相同。基于這些優(yōu)勢(shì),SiC作為超越Si限制的功率元器件用材料備受期待。
Si和C是1對(duì)1的比例結(jié)合的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體
以Si和C的原子對(duì)為單元層的最密堆積構(gòu)造
存在各種多型體,且4H-SiC最適用于功率元器件
結(jié)合力非常強(qiáng)?熱、化學(xué)、機(jī)械方面穩(wěn)定
熱穩(wěn)定性 :常壓狀態(tài)下無(wú)液層,2000℃升華
機(jī)械穩(wěn)定性:莫氏硬度(9.3),可以媲美鉆石(10)
化學(xué)穩(wěn)定性 :對(duì)大部分酸和堿具有惰性
SiC功率元器件的特征
SiC比Si的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)高約10倍,可耐600V~數(shù)千V的高壓。此時(shí),與Si元器件相比,可提高雜質(zhì)濃度,且可使膜厚的漂移層變薄。高耐壓功率元器件的電阻成分大多是漂移層的電阻,阻值與漂移層的厚度成比例增加。因?yàn)镾iC的漂移層可以變薄,所以可制作單位面積的導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓元器件。理論上,只要耐壓相同,與Si相比,SiC的單位面積漂移層電阻可低至1/300。
Si 功率元器件為改善高耐壓化產(chǎn)生的導(dǎo)通電阻増大問(wèn)題,主要使用IGBT(絕緣柵極雙極晶體管)等少數(shù)載流子元器件(雙極元器件)。但因?yàn)殚_(kāi)關(guān)損耗大而具有發(fā)熱問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)高頻驅(qū)動(dòng)存在界限。由于SiC能使肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET等高速多數(shù)載流子元器件的耐壓更高,因此能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn) “高耐壓”、“低導(dǎo)通電阻”、“高速”。
此時(shí),帶隙是Si的約3倍,能夠在更高溫度下工作。現(xiàn)在,受封裝耐熱性的制約可保證150℃~175℃的工作溫度,但隨著封裝技術(shù)的發(fā)展將能達(dá)到200℃以上。
以上簡(jiǎn)略介紹了一些要點(diǎn),對(duì)于沒(méi)有物理特性和工藝基礎(chǔ)的人來(lái)說(shuō)可能有些難,但請(qǐng)放心,即使不理解上述內(nèi)容也能使用SiC功率元器件。
審核編輯黃宇
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