碳化硅功率器件的研發(fā)始于20世紀90年代,目前已成為新型功率半導(dǎo)體器件研究開發(fā)的主流。業(yè)界普遍認為碳化硅功率器件是一種真正的創(chuàng)新技術(shù),有助于對抗全球氣候變化,推動太陽能和節(jié)能照明系統(tǒng)的市場發(fā)展。
碳化硅(SiC)是原子的復(fù)合體而不是單晶體,碳化硅的物理特性取決于晶體中碳、硅原子的排列結(jié)構(gòu),性能的主要差異在于硅和碳原子的相對數(shù)目,以及原子排列的不同結(jié)構(gòu),最普通和典型的是六方晶系的結(jié)構(gòu),稱之為6H-SiC、4H-SiC和3C-SiC。
碳化硅(SiC)半導(dǎo)體材料與常用的第一代半導(dǎo)體材料硅(Si)相比,在多個方面具有明顯的優(yōu)勢。碳化硅(SiC)具有寬禁帶(Si的2~3倍)、高擊穿場強(Si的10倍)、高的熱導(dǎo)率(Si的3倍)和強的抗輻射能力。
1.寬禁帶提高了工作溫度和可靠性
寬禁帶材料可提高器件的工作溫度,6H-SiC和4H-SiC禁帶寬度分別高達3.0eV和3.25eV,相應(yīng)本征溫度高達800℃以上;即便就是禁帶最窄的3C-SiC,其禁帶寬度也達到2.3eV左右。用碳化硅做成功率器件,其最高工作溫度有可能超過600℃,而硅的禁帶寬度為1.12eV,理論最高工作溫度200℃,但硅功率器件結(jié)溫大于150℃~175℃后,可靠性和性能指標已經(jīng)明顯降低。
2.高擊穿場強提高了耐壓,減小了尺寸
高的電子擊穿場強帶來了半導(dǎo)體功率器件擊穿電壓的提高。同時,由于電子擊穿場強提高,在增加滲雜密度條件下,碳化硅功率器件漂移區(qū)的寬帶可以降低,因此可減小功率器件的尺寸。
3.高熱導(dǎo)率提高了功率密度
熱導(dǎo)率指標越高,材料向環(huán)境中傳導(dǎo)熱的能力越強,器件的溫升越小,越有利于提高功率器件的功率密度,同時更適合在高溫環(huán)境下工作。
4.強的抗輻射能力,更適合在外太空環(huán)境中使用
在輻射環(huán)境下,碳化硅器件的抗中子輻射能力至少是硅的4倍,因此是制作耐高溫、抗輻射的電力電子功率器件和大功率微波器件的優(yōu)良材料。
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