近年來(lái)，Si功率器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝日趨完善，已經(jīng)接近其材料特性決定的理論極限，依靠Si器件繼續(xù)完善來(lái)提高裝置與系統(tǒng)性能的潛力十分有限。本文首先介紹了SiC功率半導(dǎo)體器件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)前景，其次闡述了SiC功率器件發(fā)展中存在的問(wèn)題，最后介紹了SiC功率半導(dǎo)體器件的突破。

　　SiC功率半導(dǎo)體器件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　1、碳化硅功率二極管

　　碳化硅功率二極管有三種類型：肖特基二極管（SBD）、PiN二極管和結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二極管（JBS）。由于存在肖特基勢(shì)壘，SBD具有較低的結(jié)勢(shì)壘高度。因此，SBD具有低正向電壓的優(yōu)勢(shì)。SiC SBD的出現(xiàn)將SBD的應(yīng)用范圍從250 V提高到了1200 V。同時(shí)，其高溫特性好，從室溫到由管殼限定的175℃，反向漏電流幾乎沒(méi)有增加。在3 kV以上的整流器應(yīng)用領(lǐng)域，SiC PiN和SiC JBS二極管由于比Si整流器具有更高的擊穿電壓、更快的開(kāi)關(guān)速度以及更小的體積和更輕的重量而備受關(guān)注。

　　2、單極型功率晶體管，碳化硅功率MOSFET器件

　　硅功率MOSFET器件具有理想的柵極電阻、高速的開(kāi)關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性。在300V以下的功率器件領(lǐng)域，是首選的器件。有文獻(xiàn)報(bào)道已成功研制出阻斷電壓10 kV的SiC MOSFET。研究人員認(rèn)為，碳化硅MOSFET器件在3kV～5 kV領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)優(yōu)勢(shì)地位。盡管遇到了不少困難，具有較大的電壓電流能力的碳化硅MOSFET器件的研發(fā)還是取得了顯著進(jìn)展。

　　另外，有報(bào)道介紹，碳化硅MOSFET柵氧層的可靠性已得到明顯提高。在350℃條件下有良好的可靠性。這些研究結(jié)果表明柵氧層將有希望不再是碳化硅MOSFET的一個(gè)顯著的問(wèn)題。

　　3、碳化硅絕緣柵雙極晶體管（SiC BJT、SiC IGBT）和碳化硅晶閘管（SiC Thyristor）

　　最近報(bào)道了阻斷電壓12kV的碳化硅P型IGBT器件，并具有良好的正向電流能力。碳化硅IGBT器件的導(dǎo)通電阻可以與單極的碳化硅功率器件相比。與Si雙極型晶體管相比，SiC雙極型晶體管具有低20～50倍的開(kāi)關(guān)損耗以及更低的導(dǎo)通壓降。SiC BJT主要分為外延發(fā)射極和離子注入發(fā)射極BJT，典型的電流增益在10-50之間。

　　關(guān)于碳化硅晶閘管，有報(bào)道介紹了1平方厘米的晶閘管芯片，阻斷電壓5kV，在室溫下電流100A（電壓4.1V），開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間在幾十到幾百納秒。

　　SiC功率器件市場(chǎng)前景廣闊

　　2014 年全球 Si 功率器件市場(chǎng)規(guī)模約 150 億美元， 其中 SiC 功率器件為 1.2 億美元，不到 Si 功率器件的 1%。 SiC 器件 2014 年總市場(chǎng)規(guī)模約為 1.33 億美元，至 2020 年市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá) 4.36 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 22%。

　　預(yù)測(cè)，至 2025 年：碳化硅 MOSFET 市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)超越 3 億美元，成為僅次于碳化硅肖特基二極體的第二大碳化硅離散功率元件；SiC FETs 與 BJTs 產(chǎn)品獲得市場(chǎng)信賴，但多應(yīng)用于專業(yè)或小眾產(chǎn)品，規(guī)模遠(yuǎn)低于 SiC MOSFET 市場(chǎng)；結(jié)合 SiC 二極管與 Si IGBT 所形成的混合式 SiC 功率模組， 2015年該產(chǎn)品市場(chǎng)銷售額約為 3，800 萬(wàn)美元，預(yù)計(jì) 2025 年銷售額將會(huì)突破 10 億美元。

　　SiC功率器件發(fā)展中存在的問(wèn)題

　　1、在商業(yè)化市場(chǎng)方面：

　?。?）昂貴的SiC單晶材料。由于Cree公司技術(shù)性壟斷，一片高質(zhì)量的4英寸SiC單晶片的售價(jià)約5000美元，然而相應(yīng)的4英寸Si片售價(jià)僅為7美元。如此昂貴的SiC單晶片已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了SiC器件的發(fā)展。

　?。?）Cree公司的技術(shù)壟斷。由于Cree公司在世界各國(guó)申請(qǐng)了許多專利，嚴(yán)重制約了其他公司在SiC領(lǐng)域的發(fā)展。

　　2、在技術(shù)方面：

　?。?）SiC單晶材料雖然在導(dǎo)致SiC功率半導(dǎo)體性能和可靠性下降的致命缺陷微管密度降低和消除方面近年來(lái)取得很大進(jìn)展，但位錯(cuò)缺陷等其他缺陷對(duì)元件特性造成的影響仍未解決。

　?。?）SiC器件可靠性問(wèn)題。SiC MOSFET器件目前存在兩個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)沒(méi)有完全突破：低反型層溝道遷移率和高溫、高電場(chǎng)下柵氧可靠性。與Si MOSFET相比，體現(xiàn)不出SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)。

　　（3）高溫大功率SiC器件封裝問(wèn)題。

　　功率半導(dǎo)體的SiC之路期待突破

　　電力電子器件的發(fā)展歷史大致可以分為三個(gè)大階段：硅晶閘管（可控硅）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和剛顯露頭角的碳化硅（SiC）系列大功率半導(dǎo)體器件。晶閘管發(fā)展已有近六十年歷史，技術(shù)成熟也得到廣泛應(yīng)用，可以借鑒它的歷史來(lái)預(yù)測(cè)碳化硅功率器件。想當(dāng)初IGBT興起時(shí)，與晶閘管參數(shù)指標(biāo)相差極大，晶閘管已能做到2-3KV、2-3KA時(shí)，IGBT僅僅是電流過(guò)百、電壓過(guò)千。在短短的二十幾年間，IGBT從第一代迅速發(fā)展到第六代，電壓和電流已與晶閘管并駕齊驅(qū)，顯示出IGBT優(yōu)越性能。

　　晶閘管能干的IGBT全能干、IGBT能干的晶閘管干不了，在相當(dāng)大的一片應(yīng)用領(lǐng)域里IGBT因其不可替代的優(yōu)越性能獨(dú)居鰲頭。但是晶閘管仍以其比較高的性價(jià)比守住了自己的大片陣地。碳化硅材料技術(shù)的進(jìn)展已使部分碳化硅功率器件用于實(shí)際成為可能。但還有許多關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題需要解決。晶閘管電流從小到大、電壓從低到高經(jīng)歷了數(shù)十年的風(fēng)風(fēng)雨雨，IGBT也有這樣的一個(gè)不凡的過(guò)程?？梢?jiàn)SiC功率器件的發(fā)展也會(huì)有一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。