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2017.02.23 SiC功率元件

何謂碳化矽﹙Silicon Carbide﹚

何謂SiC(碳化矽)?

碳化矽、SiC﹙Silicon Carbide﹚是比較新的半導體材料。一開始

SiC的物性和特徴

SiC是由矽﹙Si﹚和碳﹙C﹚所構成的化合物半導體材料。結合力非常強,在熱量上、化學上、機械上皆很安定。SiC存在各種晶型(polytype),其物性値各有不同。功率元件方面,以4H-SiC最為適合。下表除了Si之外,亦與近年聽聞到的半導體材料做比較。

SiC_0-1_tab
SiC_0-1_sic
3吋4H-SiC晶片

表中的黄色閃亮部分是Si與SiC之比較。藍色則是參數,尤其在利用於功率元件時特別重要。如數値所示,SiC的這些參數極為優越。此外,有別於其他新材料,與Si同様可以在廣大範圍進行元件製造所必要的p型、n型控制也是特徵之一。因此,可望作為超越Si限界的功率元件用材料。

  • Si和C以1對1比例結合之IV-IV群化合物半導體
  • 以Si和C之原子對作為單位層的最緊密填充構造
  • 有各種晶型存在,功率元件以4H-SiC最為適合
  • 結合力極強 ⇒ 熱量上、化學上、機械上皆安定
    • 熱量安定性:常壓下液層不存在,2000℃時昇華
    • 機械安定性:摩斯硬度(9.3)足以與鑽石(10)匹敵
    • 化學安定性:對幾乎所有酸、鹼呈惰性

SiC功率元件的特徴

SiC由於絕緣破壊電場強度約比Si高出10倍,因此可以達到600V~數千V的高耐壓。此外,亦可將不純物濃度調整到比Si元件還高,而且可以將膜厚的漂移層﹙drift diffusion﹚變薄。高耐壓功率元件的阻抗成分幾乎皆為漂移層的阻抗,阻抗值與漂移層的厚度成正比而變高。SiC由於可以將漂移層變薄,因此可以製作每單位面積ON阻抗非常低的高耐壓元件。理論上若耐壓相同,則相較於Si可以將每面積漂移層阻抗降低為1/300。

Si 功率元件方面,為了改善伴隨高耐壓化所增加之ON阻抗,過去主要使用IGBT(Insulated-gate bipolar transistor,絕緣閘雙極性電晶體)等少數載子元件(雙極元件)。不過,由於開關損耗大故有發熱的問題,高頻率驅動則有界限。SiC方面,由於可以使蕭特基二極體或MOSFET等多數高速載子元件(carrier device)為高耐壓,因此可以同時達成在Si所權衡﹙trade-off﹚的「高耐壓」、「低ON阻抗」、「高速」。

此外,由於能隙(band gap)約為Si的3倍寬,故可以在比Si高的溫度下動作。雖然目前package的耐熱性條件保證為150℃~175℃,但若package技術進步的話可能有200℃以上的保証。

重點已經概括說明。這些對沒有物性或程序(process)基礎的人來說或許難了一點,不過請放心,即使無法理解一樣可以使用SiC功率元件。

重點:

・SiC的物性適合功率元件。

・減少損耗方面或高溫環境下動作特性較Si半導體佳。

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