碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料經(jīng)過(guò)電阻爐高溫鍛煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦藏,莫桑石。 碳化硅又稱碳硅石。在今世C、N、B等非氧化物高技本領(lǐng)火原猜中,碳化硅為運(yùn)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的一種。能夠稱為金鋼砂或耐火砂。
碳化硅因?yàn)榛瘜W(xué)功能安穩(wěn)、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨功能好,除作磨料用外,還有許多其他用處,例如:以特別工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁,可進(jìn)步其耐磨性而延伸運(yùn)用壽命1~2倍;用以制成的高檔耐火資料,耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高,節(jié)能作用好。低等第碳化硅(含SiC約85%)是極好的脫氧劑,用它可加速煉鋼速度,并便于操控化學(xué)成分,進(jìn)步鋼的質(zhì)量。此外,碳化硅還許多用于制作電熱元件硅碳棒。
碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級(jí),僅次于世界上最硬的金剛石(10級(jí)),具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱功能,是一種半導(dǎo)體,高溫時(shí)能抗氧化。
碳化硅進(jìn)程表
1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅
1907年 第一只碳化硅晶體發(fā)光二極管誕生
1955年 理論和技能上重大打破,LELY提出成長(zhǎng)高品質(zhì)碳化概念,從此將SiC作為重要的電子資料
1958年 在波士頓舉行第一次世界碳化硅會(huì)議進(jìn)行學(xué)術(shù)交流
1978年 六、七十年代碳化硅首要由前蘇聯(lián)進(jìn)行研討。到1978年初次選用“LELY改進(jìn)技能”的晶粒提純成長(zhǎng)辦法
1987年~至今以CREE的研討效果樹立碳化硅出產(chǎn)線,供貨商開端供給商品化的碳化硅基。
2001年德國(guó)Infineon公司推出SiC二極管產(chǎn)品,美國(guó)Cree和意法半導(dǎo)體等廠商也緊隨其后推出了SiC二極管產(chǎn)品。在日本,羅姆、新日本無(wú)線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。
二、碳化硅器材的優(yōu)勢(shì)特性
碳化硅(SiC)是現(xiàn)在開展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體資料,世界各國(guó)對(duì)SiC的研討十分重視,紛繁投入許多的人力物力積極開展,美國(guó)、歐洲、日本等不僅從國(guó)家層面上擬定了相應(yīng)的研討規(guī)劃,并且一些世界電子業(yè)巨頭也都投入巨資開展碳化硅半導(dǎo)體器材。
與一般硅比較,選用碳化硅的元器材有如下特性:
高壓特性
碳化硅器材是平等硅器材耐壓的10倍
碳化硅肖特基管耐壓可達(dá)2400V。
碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管耐壓可達(dá)數(shù)萬(wàn)伏,且通態(tài)電阻并不很大。
高溫特性
在Si資料現(xiàn)已挨近理論功能極限的今日,SiC功率器材因其高耐壓、低損耗、高功率等特性,一向被視為“抱負(fù)器材”而備受等待。可是,相關(guān)于以往的Si原料器材,SiC功率器材在功能與本錢間的平衡以及其對(duì)高工藝的需求,將成為SiC功率器材能否真實(shí)遍及的要害。
現(xiàn)在,低功耗的碳化硅器材現(xiàn)已從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了有用器材出產(chǎn)階段?,F(xiàn)在碳化硅圓片的價(jià)格還較高,其缺點(diǎn)也多。經(jīng)過(guò)不斷的研討開發(fā),估計(jì)到2010年前后,碳化硅器材將操縱功率器材的商場(chǎng)。但實(shí)際上并非如此。
三、最受重視的碳化硅MOS
SiC器材分類
SiC-MOSFET
SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器材研討中最受重視的器材。效果比較突出的就是美國(guó)的Cree公司和日本的ROHM公司。
在Si資料現(xiàn)已挨近理論功能極限的今日,SiC功率器材因其高耐壓、低損耗、高功率等特性,一向被視為“抱負(fù)器材”而備受等待??墒?,相關(guān)于以往的Si原料器材,SiC功率器材在功能與本錢間的平衡以及其對(duì)高工藝的需求,將成為SiC功率器材能否真實(shí)遍及的要害。
碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)
碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)N+源區(qū)和P井摻雜都是選用離子注入的辦法,在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活。另一個(gè)要害的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的構(gòu)成。因?yàn)樘蓟璨牟轮幸黄鹩蠸i和C兩種原子存在,需求十分特別的柵介質(zhì)成長(zhǎng)辦法。其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)如下:
平面vs溝槽
SiC-MOSFET選用溝槽結(jié)構(gòu)可最大極限地發(fā)揮SiC的特性。
碳化硅MOS的優(yōu)勢(shì)
硅IGBT在一般狀況下只能作業(yè)在20kHz以下的頻率。因?yàn)樵獾劫Y料的約束,高壓高頻的硅器材無(wú)法完成。碳化硅MOSFET不僅合適于從600V到10kV的廣泛電壓規(guī)模,一起具有單極型器材的杰出開關(guān)功能。比較于硅IGBT,碳化硅MOSFET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的狀況具有更低的開關(guān)損耗和更高的作業(yè)頻率。
20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗能夠比3kHz的硅IGBT模塊低一半, 50A的碳化硅模塊就能夠替換150A的硅模塊。顯現(xiàn)了碳化硅MOSFET在工作頻率和功率上的巨大優(yōu)勢(shì)。
碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時(shí)刻trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示,同一額定電流900V的器材,碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只需平等電壓標(biāo)準(zhǔn)硅基MOSFET的5%。關(guān)于橋式電路來(lái)說(shuō)(特別當(dāng)LLC變換器作業(yè)在高于諧振頻率的時(shí)分),這個(gè)方針十分要害,它能夠減小死區(qū)時(shí)刻以及體二極管的反向恢復(fù)帶來(lái)的損耗和噪音,便于進(jìn)步開關(guān)工作頻率。
碳化硅二極管廠商
碳化硅MOS管的作用
碳化硅MOSFET模塊在光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車及軌道交通等中高功率電力體系運(yùn)用上具有巨大的優(yōu)勢(shì)。碳化硅器材的高壓高頻和高功率的優(yōu)勢(shì),能夠打破現(xiàn)有電動(dòng)汽車電機(jī)規(guī)劃上因器材功能而遭到的約束,這是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車電機(jī)范疇研制的要點(diǎn)。如電裝和豐田合作開發(fā)的混合電動(dòng)汽車(HEV)、純電動(dòng)汽車(EV)內(nèi)功率操控單元(PCU),運(yùn)用碳化硅MOSFET模塊,體積比減小到1/5。三菱開發(fā)的EV馬達(dá)驅(qū)動(dòng)體系,運(yùn)用SiC MOSFET模塊,功率驅(qū)動(dòng)模塊集成到了電機(jī)內(nèi),完成了一體化和小型化方針。估計(jì)在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛運(yùn)用在國(guó)內(nèi)外的電動(dòng)汽車上。
四、碳化硅肖特二極管
碳化硅肖特基二極管
碳化硅肖特基二極管結(jié)構(gòu)
碳化硅肖特基二極管(SiC SBD)的器材選用了結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管結(jié)構(gòu)(JBS),能夠有效降低反向漏電流,具有更好的耐高壓才能。
碳化硅肖特基二極管優(yōu)勢(shì)
碳化硅肖特基二極管是一種單極型器材,因而比較于傳統(tǒng)的硅快恢復(fù)二極管(Si FRD),碳化硅肖特基二極管具有抱負(fù)的反向恢復(fù)特性。在器材從正導(dǎo)游通向反向阻斷變換時(shí),簡(jiǎn)直沒有反向恢復(fù)電流(如圖1.2a),反向恢復(fù)時(shí)刻小于20ns,甚至600V10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)時(shí)刻在10ns以內(nèi)。因而碳化硅肖特基二極管能夠作業(yè)在更高的頻率,在相同頻率下具有更高的功率。另一個(gè)重要的特點(diǎn)是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù),跟著溫度的上升電阻也逐步上升,這與硅FRD正好相反。這使得碳化硅肖特基二極管十分合適并聯(lián)有用,增加了體系的安全性和可靠性。
歸納碳化硅肖特基二極管的首要優(yōu)勢(shì),有如下特點(diǎn):
1. 簡(jiǎn)直無(wú)開關(guān)損耗
2. 更高的開關(guān)頻率
3. 更高的功率
4. 更高的作業(yè)溫度
5. 正的溫度系數(shù),合適于并聯(lián)工作
6. 開關(guān)特性簡(jiǎn)直與溫度無(wú)關(guān)
碳化硅肖特基二極管的運(yùn)用
碳化硅肖特基二極管可廣泛運(yùn)用于開關(guān)電源、功率要素校對(duì)(PFC)電路、不間斷電源(UPS)、光伏逆變器等中高功率范疇,可明顯的削減電路的損耗,進(jìn)步電路的作業(yè)頻率。在PFC電路頂用碳化硅SBD替代本來(lái)的硅FRD,可使電路作業(yè)在300kHz以上,功率根本堅(jiān)持不變,而比較下運(yùn)用硅FRD的電路在100kHz以上的功率急劇下降。跟著工作頻率的進(jìn)步,電感等無(wú)源原件的體積相應(yīng)下降,整個(gè)電路板的體積下降30%以上。
五、人們是怎么評(píng)估碳化硅的?
簡(jiǎn)直凡能讀到的文章都是這樣介紹碳化硅:
碳化硅的能帶距離為硅的2.8倍(寬禁帶),到達(dá)3.09電子伏特。其絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)為硅的5.3倍,高達(dá)3.2MV/cm.其導(dǎo)熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管,與相同耐壓的硅器材比較,其漂移電阻區(qū)的厚度薄了一個(gè)數(shù)量級(jí)。其雜質(zhì)濃度可為硅的2個(gè)數(shù)量級(jí)。由此,碳化硅器材的單位面 積的阻抗僅為硅器材的100分之一。它的漂移電阻簡(jiǎn)直就等于器材的悉數(shù)電阻。因而碳化硅器材的發(fā)熱量極低。這有助于削減傳導(dǎo)和開關(guān)損耗,工作頻率一般也要比硅器材高10倍以上。此外,碳化硅半導(dǎo)體還有的固有的強(qiáng)抗輻射才能。
近年運(yùn)用碳化硅資料制作的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等功率器材,已可選用少子注入等工藝,使其通態(tài)阻抗減為一般硅器材的十分之一。再加上碳化硅器材自身發(fā)熱量小,因而碳化硅器材的導(dǎo)熱功能極優(yōu)。還有,碳化硅功率器材可在400℃的高溫下正常工作。其可運(yùn)用體積微小的器材操控很大的電流。工作電壓也高得多。
六、現(xiàn)在碳化硅器材開展?fàn)顩r怎么?
1,技能參數(shù):舉例來(lái)說(shuō),肖特基二極管電壓由250伏進(jìn)步到1000伏以上,芯片面積小了,但電流只需幾十安。工作溫度進(jìn)步到180℃,離介紹能達(dá)600℃相差很遠(yuǎn)。壓降更不盡人意,與硅資料沒有不同,高的正向壓降要到達(dá)2V。
2,商場(chǎng)價(jià)格:約為硅資料制作的5到6倍。
七、碳化硅(SiC)器材開展中的難題在哪里?
歸納各種報(bào)導(dǎo),難題不在芯片的原理規(guī)劃,特別是芯片結(jié)構(gòu)規(guī)劃處理好并不難。難在完成芯片結(jié)構(gòu)的制作工藝。
舉例如下:
1,碳化硅晶片的微管缺點(diǎn)密度。微管是一種肉眼都能夠看得見的微觀缺點(diǎn),在碳化硅晶體成長(zhǎng)技能開展到能徹底消除微管缺點(diǎn)之前,大功率電力電子器材就難以用碳化硅來(lái)制作。雖然優(yōu)質(zhì)晶片的微管密度已到達(dá)不超越15cm-2 的水平。但器材制作要求直徑超越100mm的碳化硅晶體,微管密度低于0.5cm-2 。
2,外延工藝功率低。碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在1500℃以上的高溫下進(jìn)行。因?yàn)橛羞M(jìn)步的問(wèn)題,溫度不能太高,一般不能超越1800℃,因而成長(zhǎng)速率較低。液相外延溫度較低、速率較高,但產(chǎn)值較低。
3,摻雜工藝有特別要求。如用分散辦法進(jìn)行慘雜,碳化硅分散溫度遠(yuǎn)高于硅,此時(shí)掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用,并且碳化硅自身在這樣的高溫下也不安穩(wěn),因而不宜選用分散法摻雜,而要用離子注入摻雜。如果p型離子注入的雜質(zhì)運(yùn)用鋁。因?yàn)殇X原子比碳原子大得多,注入對(duì)晶格的損害和雜質(zhì)處于未激活狀況的狀況都比較嚴(yán)重,往往要在適當(dāng)高的襯底溫度下進(jìn)行,并在更高的溫度下退火。這樣就帶來(lái)了晶片外表碳化硅分化、硅原子進(jìn)步的問(wèn)題?,F(xiàn)在,p型離子注入的問(wèn)題還比較多,從雜質(zhì)選擇到退火溫度的一系列工藝參數(shù)都還需求優(yōu)化。
4,歐姆觸摸的制作。歐姆觸摸是器材電極引出十分重要的一項(xiàng)工藝。在碳化硅晶片上制作金屬電極,要求觸摸電阻低于10- 5Ωcm2,電極資料用Ni和Al能夠到達(dá),但在100℃ 以上時(shí)熱安穩(wěn)性較差。選用Al/Ni/W/Au復(fù)合電極能夠把熱安穩(wěn)性進(jìn)步到600℃、100h ,不過(guò)其觸摸比電阻高達(dá)10- 3Ωcm2 。所以要構(gòu)成好的碳化硅的歐姆觸摸比較難。
5,配套資料的耐溫。碳化硅芯片可在600℃溫度下作業(yè),但與其配套的資料就不見得本領(lǐng)此高溫。例如,電極資料、焊料、外殼、絕緣資料等都約束了作業(yè)溫度的進(jìn)步。
以上僅舉數(shù)例,不是悉數(shù)。還有許多工藝問(wèn)題還沒有抱負(fù)的處理辦法,如碳化硅半導(dǎo)體外表挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態(tài)對(duì)碳化硅MOSFET器材的長(zhǎng)期安穩(wěn)性影響方面,行業(yè)中還有沒有到達(dá)共同的定論等,大大阻礙了碳化硅功率器材的快速開展。
八、為什么SIC器材還不能遍及?
早在20世紀(jì)60年代,碳化硅器材的長(zhǎng)處現(xiàn)已為人們所熟知。之所以現(xiàn)在沒有推廣遍及,是因?yàn)榇嬖谥S多包含制作在內(nèi)的許多技能問(wèn)題。直到現(xiàn)在SIC資料的工業(yè)運(yùn)用首要是作為磨料(金剛砂)運(yùn)用。
SIC在能夠操控的壓力規(guī)模內(nèi)不會(huì)消融,而是在約2500℃的進(jìn)步點(diǎn)上直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。所以SIC 單晶的成長(zhǎng)只能從氣相開端,這個(gè)進(jìn)程比SIC的成長(zhǎng)要復(fù)雜的多,SI在大約1400℃左右就會(huì)熔化。使SIC技能不能獲得商業(yè)成功的首要妨礙是缺少一種合適的用于工業(yè)化出產(chǎn)功率半導(dǎo)體器材的襯底資料。對(duì)SI的狀況,單晶襯底經(jīng)常指硅片(wafer),它是從事出產(chǎn)的前提和確保。一種成長(zhǎng)大面積 SIC襯底的辦法以在20世紀(jì)70年代末研制成功??墒怯酶倪M(jìn)的稱為L(zhǎng)ely辦法成長(zhǎng)的襯底被一種微管缺點(diǎn)所困擾。
只需一根微管穿過(guò)高壓PN結(jié)就會(huì)損壞PN結(jié)阻斷電壓的才能,在曩昔三年中,這種缺點(diǎn)密度已從每平方毫米幾萬(wàn)根降到幾十根。除了這種改進(jìn)外,當(dāng)器材的最大尺度被約束在幾個(gè)平方毫米時(shí),出產(chǎn)成品率可能在大于百分之幾,這樣每個(gè)器材的最大額定電流為幾個(gè)安培。因而在SIC功率器材獲得商業(yè)化成功之前需求對(duì)SIC的襯底資料作更大技能改進(jìn)。
烜芯微工業(yè)出產(chǎn)的晶片和最佳晶片的微管密度的開展
制作不同器材成品率為40% 和90% 的微管密度值
上圖看出,現(xiàn)在烜芯微資料,光電子器材已滿足要求,現(xiàn)已不受資料質(zhì)量影響,器材的工業(yè)出產(chǎn)成品率,可靠性等功能也符合要求。高頻器材首要包含MOSFET SCHOTTKY二極管內(nèi)的單極器材。烜芯微資料的微管缺點(diǎn)密度根本到達(dá)要求,僅對(duì)成品率還有必定影響。高壓大功率器材用烜芯微資料大約還要二年的時(shí)刻,進(jìn)一步改進(jìn)資料缺點(diǎn)密度??傊徽摤F(xiàn)在存在什么困難,半導(dǎo)體怎么開展, 烜芯微無(wú)疑是新世紀(jì)一種充滿希望的資料。
烜芯微專業(yè)制造二極管,三極管,MOS管,20年,工廠直銷省20%,1500家電路電器生產(chǎn)企業(yè)選用,專業(yè)的工程師幫您穩(wěn)定好每一批產(chǎn)品,如果您有遇到什么需要幫助解決的,可以點(diǎn)擊右邊的工程師,或者點(diǎn)擊銷售經(jīng)理給您精準(zhǔn)的報(bào)價(jià)以及產(chǎn)品介紹
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