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2024-03-05 22 电子行业报告
作为第三代半导体材料的代表,SiC 具有大禁带宽度、高击穿电场强度、高饱和漂移速度和高热导率等优良特 性。SiC 的禁带宽度(2.3-3.3eV)约是 Si 的 3 倍,击穿电场强度约是 Si 的 10 倍,热导率(490W/(m·K))约是 Si 的 3.2 倍,可以满足高温、高功率、高压、高频等多种应用场景。与硅基半导体材料相比,以碳化硅为代表的第三代半导体材料具有高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导 率、高抗辐射能力等特点,适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。Si 材料中越是高耐压器件,单位面积的导通电阻也越大(以耐压值的约 2~2.5 次方的比例增加),因此 600V 以 上的电压中主要采用 IGBT。IGBT 通过电导率调制,向漂移层内注入作为少数载流子的空穴,因此导通电阻比 MOSFET 还要小,但是同时由于少数载流子的积聚,在 Turn-off 时会产生尾电流,从而造成极大的开关损耗。
SiC 器件漂移层的阻抗比 Si 器件低,不需要进行电导率调制就能够以 MOSFET 实现高耐压和低阻抗,而且 MOSFET 原理上不产生尾电流,所以用 SiC-MOSFET 替代 IGBT 时,能够明显地减少开关损耗,并且实现散热 部件的小型化。另外,SiC-MOSFET 能够在 IGBT 不能工作的高频条件下驱动,从而也可以实现无源器件的小 型化。与 600V~900V 的 Si-MOSFET 相比,SiC-MOSFET 的优势在于芯片面积小(可实现小型封装),而且体 二极管的恢复损耗非常小,主要应用于工业机器电源、高效率功率调节器的逆变器或转换器中。碳化硅衬底企业发展主要掣肘为工艺难点及价格,其中工艺为核心要素,工艺控制的改善也将有效改善生产成 本,缩小与 Si IGBT 之间的价差后带动产业链整体放量。长晶环节是关键,碳化硅需要在高温、真空环境中生 长,对温场稳定性的要求高,其生长速度相比硅材料有数量级的差异;此外,碳化硅存在 200 多种同质异构体, 在密闭的高温石墨坩埚中生长,无法即时观察晶体的生长状况,容易产生位错及异质晶型,影响良率。器件环节, 由于碳化硅材料同时存在硅与碳两种原子,因此需要特殊的栅介质生长方法,栅氧质量将直接影响沟道和栅极的 可靠性,离子注入环节也容易降低性能及功率效率。
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