SiC半導體的未來前景如何？

摘要：當實現SiC FET器件時，採用UnitedSiC將SiC JFET與Si-MOSFET共封裝的共源共柵佈置，常關器件可實現快速，低損耗的體二極管，高雪崩能量額定值和自限性短路條件下的電流。使用該技術，UnitedSiC UF3C系列器件最近突破了障礙，這是採用凱爾文（Kelvin）柵連接的4引線TO-247封裝的首款SiC FET，在1200V類器件中RDS（ON）低於10毫歐。

本文展望了SiC下一步需要做什麼，將在哪裏應用以及如何成爲功率的主導力量。

僅在過去的三年中，作爲一種半導體技術，SiC已經發展到可以與硅競爭的水平。如今，碳化硅已進入第三代產品，其性能隨着越來越多的應用而增加。

隨着電動汽車，可再生能源和5G等行業的創新步伐迅速提高，電力工程師越來越多地尋求新的解決方案，以在效率，成本節省和功能方面取得優勢，以滿足消費者和行業的需求。

費迪南德·亨利·莫桑博士（Ferdinand Henri Moissan）於1893年在亞利桑那州的隕石殘餘物中發現了這種材料，此後，碳化硅晶體就可以稱爲“莫桑石”，這種晶體難以與甚至更耐熱的鑽石區分開來。如今，晶體也已在工業上成長爲碳化硅（SiC）晶片的基礎，而這種碳化硅（SiC）晶片是一種非常成功的新型半導體產品-也許有許多晶圓廠的技術人員正在凝視SiC的“晶體棒”，並想知道使用這種材料的設備的下一步的發展方向是什麼？

第三代SiC技術

讓我們回顧一下SiC技術的現狀以及與傳統硅解決方案的競爭優勢。圖1顯示了SiC與硅相比的基本材料特性-靠近邊緣的值更好。

圖1. Si和SiC材料特性的比較

這總結了SiC的優點：帶隙更寬，導致臨界擊穿電壓更高，電子速度更高，開關速度更快。對於給定的額定電壓，管芯尺寸可以小得多，從而具有低導通電阻，再加上顯着更好的導熱性，從而可以降低損耗並降低運行溫度。較小的裸片尺寸還減少了器件電容，從而降低了開關損耗，而SiC固有的高溫性能也有助於降低熱應力。

當實現SiC FET器件時，採用UnitedSiC將SiC JFET與Si-MOSFET共封裝的共源共柵佈置，常關器件可實現快速，低損耗的體二極管，高雪崩能量額定值和自限性短路條件下的電流。 SiC FET具有簡單的柵極驅動級，可與較早的Si-MOSFET甚至IGBT兼容，因此，通過提供兼容的封裝，可以輕鬆地從較早的器件類型進行升級。

對於高開關頻率應用，業界現在還提供扁平的DFN8x8封裝，該封裝可最大程度地減小引線電感，因此非常適合諸如LLC和相移全橋轉換器之類的硬開關和軟開關應用。

使用該技術，UnitedSiC UF3C系列器件最近突破了障礙，這是採用凱爾文（Kelvin）柵連接的4引線TO-247封裝的首款SiC FET，在1200V類器件中RDS（ON）低於10毫歐。

UnitedSiC中使用的SiC晶圓已發展到六英寸的尺寸，其規模經濟性使其可與硅的價格水平保持一致，並能用於大衆市場應用以及尖端的創新產品。

進一步改善SiC FET的驅動力

SiC FET正在接近理想的開關，但是市場仍然在不斷地產生新要求。 EV逆變器需要儘可能高的效率以增加行駛距離；高功率DC-DC以及數據中心/ 5G應用中的AC-DC轉換器必須消耗盡可能少的功率，以最大程度地減少能量損失，佔地面積和成本；工業界希望使用更小，更高效的電機驅動器，以更好地利用工廠空間。這種需求列表繼續出現，並帶有顯著的高要求–更高的效率。 SiC的其他新應用也已經開發出來，可以利用SiC的一些優勢-例如，固態開路器現在在高電流水平下的損耗非常低，甚至線性電源電路（如電子負載）也比SiC更好。具有擴展的安全操作區域（SOA）的設備。

隨着系統工程師認識到在減小尺寸和冷卻要求，同時節省能源和硬件成本的機會的同時，他們希望擁有更多相同的器件，以及具有更廣泛應用的器件，例如更高的電壓和電流額定值以及更多的封裝選項。

比較當前和未來可能的器件

在比較當前器件及其發展趨勢時，各個參數並不一定具有啓發性-低於10毫歐的器件在100V的額定電壓下並不算令人印象深刻，但在1200V的電壓下卻是最先進的。同樣，如果管芯面積較大，則會導致高電容和隨之而來的開關損耗，因此在1200V時低RDS（ON）不太有用。因此，使用諸如RDS（ON）.A（通態電阻和芯片面積的乘積）之類的公認的“品質因數”（FOM）很有用；低值結合了低電阻和低開關損耗以及每個晶片的裸片數量增加的措施，從而降低了成本。

EOSS，爲器件輸出電容充電所需的能量對於降低開關損耗非常重要，而對於總損耗而言，有用的直接FOM也是RDS（ON）。

碳化硅（SiC）的改良參數

顯然，對於關鍵的FOM，SiC相對於其他開關類型而言是一個巨大的進步，但更高性能的範圍又是什麼呢？還需要考慮其他可能與FOM改進相牴觸的參數。圖2顯示了一些這樣的參數，箭頭指示了以獲得更好的性能的改進方向。 BV是臨界擊穿電壓，COSS是輸出電容，Qrr是反向恢復電荷，ESW是開關時的能量損失，Diode Surge（二極管浪湧）是體二極管效應峯值電流額定值，SCWT是短路耐受額定值，UIS是未鉗位的電感性開關額定值和RthJ -C是結殼熱阻。

圖2. SiC FET特性及其發展方向。今天是藍色，未來是橙色

一些特性會相互增強好處，例如較小的die尺寸可降低COSS，從而降低ESW；其他則需要權衡取捨，例如，減少芯片體積可能會導致UIS能效評級降低。峯值雪崩電流不會受到影響，這與低能量雜散電感相關的過沖或雷電測試的典型結果相關。

但是，在電池和封裝設計方面進行改進的有用組合還有很多餘地，可以看到RSD（ON），減半後的die明顯變小。然後，COSS也將以相同的比例下降，而ESW也會相應下降。通過對RDS（ON）進行相應的改進，可以使芯片更薄，但UnitedSiC相信這不會以降低額定電壓爲代價，而額定電壓將隨着新的750V標準電壓等級而升高至1700V。

挑戰不斷湧現，例如原材料需要達到零缺陷和完美的平坦度的要求，在每片晶圓的裸片數量以及“交叉”方面的成品率方面也一直在不斷提高。請記住，SiC在其發展曲線的開始階段仍然是一個相對較年輕的技術，並且像以前的MOSFET一樣，在成本和性能方面都有很大的未來改進前景。

UnitedSiC

SiC封裝的演進

隨着SiC FET器件的改進和擴展到不同的應用領域，可以預料封裝選項也將擴大。

目前，TO-247零件很受歡迎，因爲它們可以作爲某些MOSFET和IGBT的直接替代品，並且許多類型是四引線的，包括用於柵極驅動的開爾文連接。這有助於克服源極引線電感的影響，否則會導致漏極-源極di / dt較高而導通。 D2PAK-3L和-7L以及TO-220-3L，TO247以及最近從UnitedSiC推出的表面貼裝薄型DFN8x8封裝均經過優化，以最小的封裝電感實現了能在高頻工作。

將來，將提供其他SMD封裝，其中大多數採用銀燒結模壓連接，以實現更好的熱性能。模塊中的多個SiC裸片也將變得更加廣泛，單個裸片的額定電壓可能高達1200V，而使用堆疊式“超級級聯”排列以實現非常高的功率時，額定電壓可能高達6000V或更高。這些通常將用於固態變壓器，MV-XFC快速充電器，風力發電系統，牽引力和HVDC。