1.2 SiC功率器件

1.2.1 SiC半导体材料特性

SiC是由Si原子和C原子以1:1的比例构成的化合物半导体材料，Si原子和C原子以sp3杂化形成共价键，为四面体键合。图1-22所示为构成SiC晶体的基本单元，每个Si原子周围有4个C原子，每个C原子周围有4个Si原子。

由于SiC的层错形成能量较低，导致SiC堆垛顺序非常丰富，形成了200余种多型体。在Ramsdell符号表示下，常见的SiC多型体有3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC，其中“3”“4”“6”表示单位晶胞中Si-C双原子层的层数，“C”表示立方晶系，“H”表示六方晶系。在众多SiC多型体中，4H-SiC最适合作为功率器件材料。

表1-2中给出Si和SiC半导体材料主要参数，基于这些参数可以了解到材料特性对器件的影响。

1.能带

当原子处于孤立状态的情况，电子位于离散的能级上。而晶体是由大量原子组成的，它们之间的距离很近。根据泡利不相容原理，各原子中原本能量相同的能级被分化为处于一定能量范围的一系列能级。由于原子数量众多，密集的能级就形成了能带。

能带结构如图1-23所示。价电子所处的能带被称为价带，在半导体中价带被电子完全占据，不具有导电能力。当受到激发时，价带中的电子将跃迁到能量更高的能带。由于电子填充数量少，在外电场的作用下，电子可以进行漂移运动而形成电流，此能带被称为导带。导带中的电子和由于缺少电子而在价带中产生的空穴被称为载流子。价带和导带之间没有能级，即没有电子能存在其中，被称为禁带。禁带宽度越大，将电子由价带激发至导带所需要的能量就越大，材料的绝缘性能就越好。

没有掺杂外来原子的半导体叫做本征半导体，当温度T>0K时，就会有电子从价带激发到导带，这就是本征激发，所产生的载流子称为本征载流子。为了改善半导体材料的特性，会对本征半导体进行掺杂。Si中通常掺杂P和B，SiC中通常掺杂Al和N。

2.禁带宽度

由于Si-C共价键极性强，对价电子的束缚紧，需要更多的能量才能将价电子从价带激发到导带。故SiC的禁带宽度比Si要大，SiC禁带宽度是3.26eV，为Si的3倍左右。正因如此，SiC被称为宽禁带半导体材料。

3.击穿电场强度

在强外电场的作用下，半导体材料中价带电子会被激发到导带中。当外电场强到一定程度时，半导体材料将丧失电绝缘能力，即被击穿，此时的外电场强度被称为击穿电场强度。

如前所述，高压垂直型MOSFET主要靠漂移区承受电压，漂移区越厚，能够承受的击穿电压也越高。但这也导致导通电阻R_DS(on)中占比最大的漂移区电阻R_drift和器件单位面积导通电阻R_DS(on),sp也越大。同时，虽然掺杂浓度越高电阻率越低，但掺杂浓度越高电场斜率越大，反而需要更厚的漂移区，这就使得不能简单地通过增加掺杂浓度有效降低Si器件的R_DS(on),sp。以上正是Si MOSFET无法在合理的芯片面积下同时实现高电压和大电流的原因。

SiC为宽禁带半导体材料，其在25℃下的击穿电场强度为2.5MV/cm，为Si的10倍。因此，在相同击穿电压条件下，SiC MOSFET的漂移区可以采取更高的掺杂浓度以降低电阻率，同时还能够大幅减小漂移区厚度，显著降低器件R_DS(on),sp。图1-24所示为Si和SiC耐压值与R_DS(on),sp的理论值。

故在相同的R_DS(on)下，SiC MOSFET的芯片面积更小。例如在900V电压等级下，SiC MOSFET可以仅用Si MOSFET 1/30的芯片面积实现同等的R_DS(on)。芯片面积越小，其结电容也越小，故SiC MOSFET的开关速度更快，能够工作在更高的开关频率下。同理，在相同的芯片面积下，SiC MOSFET的R_DS(on)也会更低。故SiC MOSFET能够同时实现高电压和大电流。现在商用1200V电压等级SiC MOSFET单颗芯片的R_DS(on)已经达到16mΩ的水平。

相比于Si二极管，SiC二极管也具有类似的优势。

4.本征载流子浓度

本征载流子是通过本征激发而产生的，与禁带宽度有关，本征载流子浓度n_i随着禁带宽度的增加呈指数式减少。由于SiC的禁带宽度更大，其n_i远远小于Si。在25℃下，SiC的n_i为5×10-9/cm3，仅为Si的1/1019。

热激发是本征激发的主要途径，n_i与温度有关，随着温度的升高而指数式增大。当温度足够高时，n_i过大，半导体材料变为导体，此时的温度称为本征温度。图1-25所示为Si和SiC本征载流子浓度与温度的关系，可以看到即使在高温下，SiC的本征载流子浓度也远远小于Si。这使得SiC器件可以工作在更高的温度下，Si器件的最高工作温度不超过200℃，而SiC器件在300℃下也可以正常工作。

5.载流子饱和漂移速度

载流子在外电场的作用下进行漂移运动形成电流，受晶格的阻挡，其漂移速度是有上限的，即饱和漂移速度。SiC的载流子饱和漂移速度为2×107cm/s，为Si的2倍。较高的载流子饱和漂移速度有利于提高器件的频率特性和开关速度，但这一优势主要对射频（RF）器件更有帮助，对功率器件的性能提升有限。

6.热导率

SiC材料的导热系数为390W/mK，是Si的2.6倍，与导热性能最好的银（419W/mK）和铜（381W/mK）相当。如此高的热导率，使很多人认为SiC器件的散热会更加容易处理。然而在相同规格下，SiC器件芯片面积较Si器件大大缩小，这就使得SiC芯片到器件外壳的热阻要比Si的大很多，反而增加了散热的难度。