在過(guò)去的四年里，由于采用了更好的設(shè)計(jì)和制造工藝，以及高質(zhì)量材料的可用性，基于硅技術(shù)的功率器件取得了重大進(jìn)展。然而，大多數(shù)商用功率器件現(xiàn)在正接近硅提供的理論性能極限，特別是在它們阻斷高壓的能力、在導(dǎo)通狀態(tài)下提供低電壓降以及在非常高的頻率下開關(guān)的能力方面。多年來(lái)，許多專門從事電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究人員和公司致力于尋找硅的替代解決方案，以滿足最新一代電源應(yīng)用對(duì)效率、可靠性和低成本的要求。碳化硅 (SiC)是一種寬帶隙 (WBG) 材料，可提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅在電源應(yīng)用中提供的性能所需的卓越電氣和物理特性。如圖 1 所示，更高的能帶隙使 WBG 材料在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中優(yōu)于硅。基于 WBG 的器件（例如碳化硅）與等效的基于硅的器件相比，尺寸更小，可承受更高的工作溫度。

圖 1：不同材料之間的能帶隙比較（來(lái)源：貿(mào)澤）

GeneSiC Semiconductor 是一家由 Ranbir Singh 博士創(chuàng)立并擔(dān)任董事長(zhǎng)的公司，幾年前開始開發(fā) SiC 功率器件技術(shù)，成為該領(lǐng)域的先驅(qū)和世界領(lǐng)先者，擁有 26 項(xiàng)美國(guó)專利。GeneSiC 提供的 SiC 器件技術(shù)在眾多電力應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高效率方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如汽車、智能電網(wǎng)、工業(yè)、航空航天和國(guó)防、石油和天然氣、可再生能源、醫(yī)療和運(yùn)輸部門。

“GeneSiC 成立于 2004 年，很快就獲得了第一批關(guān)于碳化硅器件的專利。盡管我們的很多資金實(shí)際上來(lái)自美國(guó)政府用于下一代創(chuàng)新 SiC 技術(shù)開發(fā)，但我們不希望僅僅被視為小眾參與者。我們是一個(gè)非常專注于技術(shù)的團(tuán)隊(duì)，希望為我們的客戶提供一流的性能和可靠性、創(chuàng)新技術(shù)、最高質(zhì)量、大批量周轉(zhuǎn)的具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格和較短的交貨時(shí)間。我們提供包含 100 多種碳化硅產(chǎn)品的全面產(chǎn)品組合，并提供強(qiáng)大的產(chǎn)品和客戶支持。”Ranbir Singh 博士說(shuō)。

碳化硅的好處

作為寬帶隙半導(dǎo)體，碳化硅表現(xiàn)出比硅更大的帶隙能量（3.2eV，大約是硅的三倍，等于1.1eV）。由于需要更多的能量來(lái)激發(fā)半導(dǎo)體導(dǎo)電帶中的價(jià)電子，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓、更高的效率和更好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。SiC MOSFET 的主要優(yōu)點(diǎn)是漏源極導(dǎo)通電阻 (R DS(ON))，在相同擊穿電壓下比硅器件低300-400倍。因此，基于 SiC 的功率器件能夠提供更高的功率水平，從而最大限度地減少功率損耗、提高效率并減少組件占用空間。基于 SiC 的器件具有高電熱導(dǎo)率和極高的開關(guān)速度。低輸出電容和低 R DS(ON)使 SiC 器件適用于開關(guān)設(shè)計(jì)，例如電源、三相逆變器、放大器和電壓轉(zhuǎn)換器（AC-DC 和 DC-DC）。使用 SiC 器件還可以顯著節(jié)省成本并減小許多開關(guān)應(yīng)用中使用的磁性元件（變壓器、電感器、電感器）的尺寸。

熱導(dǎo)率是一個(gè)額外的關(guān)鍵特性，它表明提取半導(dǎo)體器件功率損耗產(chǎn)生的熱量是多么容易，防止器件的工作溫度危險(xiǎn)地上升。對(duì)于熱導(dǎo)率低的半導(dǎo)體器件，如硅，更難以保持較低的工作溫度。為此，引入了一種特定的操作模式，稱為降額，通過(guò)該模式引入性能的部分降級(jí)，以免在高溫下?lián)p害組件。相反，高熱導(dǎo)率確保設(shè)備可以充分冷卻，而不會(huì)導(dǎo)致性能下降。碳化硅能夠在至少 200°C 的溫度下工作，這比硅 MOS 器件的典型結(jié)溫高 50°C。對(duì)于許多 SiC 器件，該溫度可高達(dá) 400°C 或更高。這種特性使 SiC 功率器件即使在高溫下也能高效運(yùn)行，避免性能降級(jí)并減少平均故障時(shí)間 (MTTF)，同時(shí)提高質(zhì)量和可靠性。

“在熱管理方面，我想說(shuō)目前我們的產(chǎn)品都是采用非常先進(jìn)的熱管理封裝技術(shù)制造的。例如，我們所有的產(chǎn)品，除了 DO-214 (SMD) 封裝，都是用銀燒結(jié)制成的。”Ranbir Singh 博士說(shuō)。

Silver Sintering 是一種芯片連接和鍵合技術(shù)，可提供無(wú)空隙且牢固的鍵合，并具有出色的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。銀燒結(jié)能夠?qū)㈦娮悠骷慕Y(jié)溫 (Tj) 降低至 100℃。

圖 2 顯示了 N 溝道增強(qiáng)型 GeneSiC 碳化硅 MOSFET。該器件具有 V DS =1.2kV、R DS(ON) =20mΩ 和 I D =65A，適用于電力應(yīng)用，例如：電動(dòng)汽車快速充電、太陽(yáng)能逆變器、智能電網(wǎng)、工業(yè)逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交通和更多的。

圖 2：GeneSiC 1.2kV SiC MOSFET

圖 3：4 引線 TO-247/1.7kV 45mOhm 封裝

碳化硅設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

即使硅能夠滿足目前電力電子領(lǐng)域的大部分需求，其化學(xué)物理特性也限制了其在高溫和高工作電壓下的性能。為確保在這些條件下器件正常運(yùn)行，GeneSiC 提供基于 SiC 的器件，例如 MOSFET 晶體管、肖特基二極管（包括那些具有合并引腳肖特基或 MPS 設(shè)計(jì)的器件）、PiN 二極管和結(jié)型晶體管。過(guò)去幾年，碳化硅器件的結(jié)構(gòu)和制造工藝不斷完善，解決了一些操作和可靠性方面的問(wèn)題，包括與 SiC MOSFET 中柵極氧化物的可靠性相關(guān)的問(wèn)題。

“關(guān)于柵極氧化物可靠性問(wèn)題，GeneSiC 的 SiC MOSFET 設(shè)計(jì)為最大柵極氧化物場(chǎng)明顯低于每厘米 4 兆伏。關(guān)于氧化物可靠性的第二個(gè)方面是柵極氧化物-SiC 界面的質(zhì)量。用于 GeneSiC 的 SiC MOSFET 制造的柵極氧化工藝確保了極低的缺陷密度，無(wú)論是在柵極氧化物內(nèi)還是在柵極氧化物-SiC 界面處，“Ranbir Singh 博士說(shuō)。

與SiC MOSFET 晶體管相關(guān)的另一個(gè)重要方面與內(nèi)置體二極管的穩(wěn)定性有關(guān)。在傳統(tǒng)的 H 橋功率轉(zhuǎn)換電路中，MOSFET 體二極管在續(xù)流操作期間傳導(dǎo)額定電流。由于體二極管的運(yùn)行，來(lái)自幾家領(lǐng)先器件供應(yīng)商的 SiC MOSFET 導(dǎo)致器件特性顯著下降。

“所以，這個(gè)（體二極管穩(wěn)定性）方面更多地與 SiC 材料、起始 SiC 襯底晶片中的某些缺陷以及如何生長(zhǎng)碳化硅外延層有關(guān)；您的層的設(shè)計(jì)方式以及您使用的生長(zhǎng)技術(shù)類型決定了體二極管的穩(wěn)定性。”Ranbir Singh 博士說(shuō)。

有時(shí)，很容易將組件的可靠性與其穩(wěn)健性混淆。后者是一個(gè)參數(shù)，用于證明設(shè)備可以承受的電氣濫用程度，即使是很短的時(shí)間。有些操作可以很好地執(zhí)行，例如，使用肖特基二極管，而其他操作則不能，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法承受雪崩擊穿條件下的操作。.

“在 GeneSiC，我們確保我們所有的設(shè)備都保證達(dá)到業(yè)內(nèi)最高的穩(wěn)健性水平。我們的 SiC MPS TM整流器和 MOSFET 經(jīng)過(guò) 100% 雪崩測(cè)試。我們的 SiC MOSFET 具有最長(zhǎng)的短路時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)最低的 RDS ON，因此可以在這里找到一個(gè)很好的折衷方案。”Ranbir Singh 博士說(shuō)。

審核編輯 黃昊宇