摘要：现在以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带功率半导体在工业上的应用已成为未来发展趋势。碳化硅SiC材料具有击穿电场强度高、热稳定性好、载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，使得SiC器件具有耐高温、耐高压、损耗小、开关频率高、动态性能优良等优点，在较高电压等级(高于3 kV)、散热要求高或对电力电子装置性能有更高要求的场合，有着硅器件无法比拟的优势，具有良好的应用前景。
关键词：第三代半导体；碳化硅；电力电子
1、概述
近年来，随着半导体器件在航空航天、石油勘探，核能、汽车及通信等领域应用的不断扩大，人们开始着手解决耐高温、大功率、抗辐射的电子和光电子器件的问题。碳化硅SiC作为宽禁带半导体材料的代表首先引起人们的极大注意。SiC材料具有优异的热学、光学、电学、化学和机械性能。SiC晶体具有强的共价键结构，这种结构中的每个原子被四个异种原子所包围，反映其能量稳定性。使它具有高的硬度、高熔解温度、高的化学稳定性和抗辐射能力。SiC非常适合制备抗辐射和高温的高频、高速和大功率半导体器件及光发射二极管和探测器。此外，高的热导率还表明了它具有制备高密度SiC集成电路的应用潜力。在继以硅为代表的第一代、以砷化镓为代表的第二代半导体之后，SiC已成为典型的第三代半导体。
2、碳化硅SiC半导体材料特性
目前，SiC半导体材料发展日趋成熟。表1是有代表性的一代、二代和三代半导体材料特性参数对比。
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表1 SiC与其它半导体材料的特性参数表
从表1可以看出，SiC材料特性主要有以下优点：
a.击穿电场比硅Si高十倍，比砷化镓GaAs高五倍，极大地提高了SiC半导体功率器件耐压容量和电流密度，同时也较大地降低了导通损耗。
b.禁带宽度约为硅Si的三倍，比砷化镓GaAs高二倍，大大降低了SiC半导体器件的反向漏电流，并使其具有抗辐射特性。
c.热导率为硅Si的三倍，比砷化镓GaAs高十倍，具有优异的散热性能，可大大提高碳化硅SiC器件的集成度和功率密度，并使其能成为功率器件的衬底。
d.电子饱和飘移速度是硅Si和砷化镓GaAs的二倍，使其能在更高的频率下工作。
由于SiC半导体材料有着硅Si和砷化镓GaAs材料无法比拟的优势，利用SiC制造的器件可以承受更高的电压、输出更高的能量密度和适应更高的环境温度。在具体应用中，其体现出来的技术优势主要有以下方面：第一，提高功率因数校正器的效率，使功率发射系统能够工作在更高的频率和更高的温度，并能够在保证性能的情况下减小总电路数。第二，提高纯电动/混合电气动力汽车转化性能。SiC功率器件可以提供更高的击穿电压、更低的开启电阻、更大的热导率，以及能够使它工作在高达600℃的温度下。因此它可以大幅提高功率转化能力。第三，减少舰船、飞行器的系统重量。采用SiC功率电子模块，将使变压器的体积和重量减小一半以上，可以更好地配置其它传感器、武器等设备。第四，提高功率提升效率。基于SiC的高压传输系统能在高电流密度，低正向电压降下工作，减小能源传输过程中的损耗。第五，极端恶劣环境中应用。SiC材料击穿电场强度高、热稳定性好，载流子饱和漂移速度高，热导率高和抗辐照好的特点，可以用来制造耐高温、高频高效大功率器件，应用于其他半导体材料难以胜任的场合。因此可以被广泛用于电力电子、家用电器、新能源、LED照明、高铁、信息通讯和航天航空等领域。
3.SiC应用现状和发展
3.1 国外SiC技术的应用
国外SiC技术研究集中于SiC晶片、SiC二极管、SiC MOSFET和SiC IGBT等四个方面。
美国Cree公司是全球SiC晶片行业的先行者，已经推出了150mm的SiC衬底片。目前以美国Cree公司为代表的美国公司占有全球90%-95%的产量，控制了国际SiC晶片的市场价格和质量标准。现在市场上的商用SiC衬底片质量提高，其直径越来越大（2015年Cree、Ⅱ-Ⅵ公司推出了8英寸SiC晶圆），并且位错、微管等缺陷的密度越来越低，从而使SiC器件的成品率提高，成本降低，更多领域开始使用SiC器件。
SiC功率二极管主要有三种类型：肖特基二极管（SBD）、PIN二极管和结势垒控制肖特基二极管（JBS）。SiC SBD于21世纪初已商业化，广泛应用于高温、高压、强辐照等恶劣条件下工作的飞机、舰艇、火炮等军事设备的功率电子系统领域以及混合动力车、燃料电池车、电动汽车等民用领域。美国Cree公司推出的SiC SBD开关（从150KHz提高到500KHz）,适用于频率极高的电源产品，如电信部门的高档PC及服务器电源等。
目前MOSFET和IGBT是电力电子系统中核心器件。Cree公司已将4H-SiC MOSFETs器件（1200V/80m）推向市场，耐压等级分别为600V/1200V/1700V。三菱电机SiC最早用在高铁上的变频器，家用空调上的DIPIPMTM和风力发电变换器上的MOSFEＴ器件，而且家用空调已在日本销售。
IGBT是由BJT和MOS组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT结构与MOSFET相似，只是把MOSFTET的n+衬底换成P+衬底，但SiC IGBT制作非常困难。SiC IGBT产品集合了高频、高压、大电流三大技术优势，实现节能减排，被公认为是电力电子技术第三次革命最具代表性产品，可实现对以往功率器件产品的逐步替代。SiC IGBT可广泛用于电力领域、消费电子、汽车电子、新能源等传统和新兴领域，市场前景广阔。
3.2 国内SiC技术的应用
“十二五”初期，我国掀起了研发第三代功率半导体器件的热潮，“十三五”期间，我国开始进行第三代功率半导体材料和器件产业化。当前，SiC材料方面，我国建成了亚洲规模最大的宽禁带SiC半导体材料生产基地（山东天岳先进材料科技有限公司）。设备全部达产后将形成年产35万片碳化硅衬底的生产能力，将彻底改变我国宽禁带碳化硅半导体材料受制于人的局面，带动我国碳化硅产业链快速发展，形成千亿级的碳化硅半导体产业集群，对我们国家的产业转型升级和国防战略安全具有重要意义。而在SiC功率器件产品方面，目前以二极管产品为主，若干单位具备开发晶体管产品的能力，尚未实现产业化。在国家科技项目和各级政府的支持下，目前国内有多家企业建成或正在建设多条SiC芯片工艺线，这些工艺线的投产，将会大大提升国内SiC功率器件的产业化水平。
4、小结
SiC技术符合当今世界节能化、智能化得发展趋势，作为高新产业的核心技术，其应用推广势在必行，我们不能依靠国外进口来参与这场技术革命。面对强大的美国电力公司，我们必须奋起直追，面对巨大挑战。国内的电力电子研究所，如中科院电工研究所和微电子所、国家电网电力科学研究所，应该与企业通力合作研发SiC技术，同时，需要注入社会资本，积极引进高端科技人才，有效利用联合创新基地，实现国内SiC技术研究与应用的突破。
参考文献
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