1 引言
就在幾年以前，碳化硅(sic)還在被人們認為是功率器件的一種可選材料。這種情形已經改變了，這是因為在襯底材料增長方面以及器件加工技術上sic都取得了重大進展。目前，已經有幾家廠商能夠提供sic肖特基勢壘二極管(sbd)。正是由于碳化硅功率器件的卓越動態性能才成為最初的推動力量，并使之邁入工業應用階段。碳化硅功率器件能夠承受較高的工作溫度，這一性能將會進一步提升未來階段的市場成長和工業利用。
2 功率肖特基勢壘二極管(sbd)
sic sbd早在2001年就已經出現在市場上了，許多廠商，比如cree、ixys、microsemi和infineon(按照字母排序)已經將sic sbd添加到他們的產品系列當中。在設計sbd時，通過在sic中施加高臨界電場強度(大約10倍于硅)和極低少數載流子濃度(寬帶隙)，可以使得sbd的反向阻斷電壓達到3500v。現有二極管基片的額定電流的范圍在2a~10a之間，阻斷電壓范圍在300v~1200v之間。
相對于超速/超快硅pin二極管，總體差別在于sbd不需要任何反向恢復充電，這種表現完全類似壓敏電容。因為能夠大大增強系統的優點，所以sic sbd特別適合應用在高開關頻率的應用場合。600v低損耗超結硅mosfet與600v sic sbd組合使用將成為最佳搭檔，可以用在帶連續電流模式功率因數校正的開關電源(smps)中。
300v sic sbd的上市可以用作48v~60v快速輸出開關電源的整流二極管，因為在工作溫度下它們的可靠性與正向壓降遠遠勝過gaas sbd。1200v sic sbd與硅igbt組合后可以作為理想的續流二極管。在工業利用上，sic sbd的首選應用領域應該為小功率逆變器和小容量并網能源再生系統中的dc-ac變換器(太陽能電池和燃料電池)。
在當前的世界市場上，sic sbd的市場容量大約為4百萬us$，通過大大降低器件的成本，sic sbd的潛在世界市場容量將超過每年200百萬us$。可以預見的趨向是:sic sbd成本將大大降低，單基片能夠承受更高的額定電流，阻斷電壓能夠提高到1700v。
3 單極性碳化硅功率開關
600v阻斷電壓范圍內的sic功率開關面對有強大的競爭對手，即硅mosfet和硅igbt。對于逆變器等拓撲，在硬開關條件下，當它們的內部二極管開通時，硅mosfet顯得并不適用。此時硅igbt的性能也遜色于sic器件。具有高結溫能力(200℃甚至更高)的超低導通電阻的sic開關(<5mωcm2比導通電阻)將有機會取得工業應用，而且可以在惡劣的環境下使用。
阻斷電壓范圍在1200v~1800v的硅mosfet不僅體積大，而且價格昂貴。當開關頻率較高時，硅igbt也不能夠承受動態損耗。而sic結場效應晶體管具有無與倫比的較低比導通電阻，能夠承受高的工作溫度和非常高的開關頻率。我們采用1500v垂直sic結場效應晶體管，并與60v硅mosfet組合使用，開發了阻斷電壓1500v、導通電阻0.5ω的混合共發共基開關，可以作為一個實例，目的在于向人們展示高技術性能和更具有吸引力的器件成本。預計不久，將會得到工業利用，可能首先應用在諧振變換器和輔助電源上。
sic的n溝道逆變mosfet長期以來承受著較低的溝道遷移率，而且其門極氧化物的長期穩定性也受到質疑。然而，最近在氧化物技術上的進步打消了人們的重大疑慮。采用1300℃下笑氣(n2o)熱氧化技術，我們成功地實驗出一只3kv sic mosfet，其室溫下的導通電阻為大約3ω，然而其僅僅使用了2.1mm2的基片面積。而且在150℃的結溫下，導通電阻為5ω，增加系數僅為1.65。額定阻斷電壓在1200v~1700v之間的sic mosfet在三年之內將進入市場，而且具有很高的性能價格比，這一點是非常可能的。
如果材料質量和相關的成本得到重大改善，單極性sic功率器件的上限阻斷電壓可達3.5kv。樣品演示已經顯示出了可以實現的性能。然而，鑒于產量和成本考慮以及可能需要更高的額定電流，作者并不設想在本次中期展望階段內目睹將該器件能夠進入市場，這一點將在下一節討論。
如果想使sic pn結通過大的電流，sic的導通電壓應該控制在大約3v左右，這是因為sic具有寬帶隙(4h sic: 3.2ev@25℃)，因此只有獲得比硅pin二極管更加明顯的優勢時sic pin二極管才可能在工業上得到應用。關于阻斷電壓，sic功率器件可以實現3000v以上，但是，在電力電子行業，高的阻斷電壓往往伴隨需要大的工作電流，這意味著需要更大的基片面積。另外，sic還將面臨材料缺陷問題，由于大面積基片的產量太低，以致不能獲得一個足夠高的性能價格比，這反過來又將受材料成本過高的影響。
因此在中期展望(3年)中，作者并不奢望能夠看到sic pin二極管上市，但是值得說明的是sic pin二極管具有遠期前景，這一點是非常重要的。
4 雙極性碳化硅功率開關
對于4.5kv和更高阻斷電壓的應用，雙極性sic功率器件將比單極性sic功率器件更有實際應用價值。設想在大型中壓傳動、交通系統或輸配電系統使用雙極性sic功率器件，毋庸置疑，在材料質量上和少數載流子使用壽命上必須取得重大進步，而且制定適當的價位也是必不可少的。對于sic pin二極管來說，這一點已經討論過了。
大功率高壓雙極性碳化硅開關在未來的工業上不能得到利用，這僅僅是指從現在開始的可預見三年時間，根本不是意味著雙極性碳化硅功率開關永遠不能得到工業利用。但是這將需要超過三年的時間來完成開發性能與價格滿意的高壓大功率sic功率器件，使得工業應用得以起步。
開發出具有高工作溫度和能夠阻斷10kv甚至更高電壓的高動態性能功率器件是功率開關開發所面臨的最終挑戰，目前解決該任務只有一種可選材料，即sic。
阻斷電壓范圍在600v~1700v的雙極性結型晶體管(bjts)可能得到更早的工業應用，因為它們能夠承受高溫和具有常閉特性。但是它們很難獲得類似單極性功率開關所具有的關鍵優勢。因為對于單極性功率開關，其基片可以以一種不復雜的方式并聯，從而獲得高定額的器件電流，而且它們還可以以一種簡單的方法實現串聯。
5 結論
sic sbd已經在市場上得到應用，而且面臨良機，其市場容量將與日俱增。阻斷電壓范圍在1200v~1700v的單極性功率開關，如sic結型場效應晶體管和sic mosfet將得到工業利用。限于成本與產量考慮，在未來三年中，單片開關電源(阻斷電壓乘以額定電流)可能不超過5000va。除了一種成熟的半導體器件技術以外，低缺陷密度3"sic晶片(cree, nc, usa)具有實用性是本中期展望現有的先決條件。
大功率高壓sic半導體器件正在開發當中，一旦性能價格比適當之后將得到工業應用，尚且不再存在真正的可見障礙。應該指出的是阻斷電壓范圍在600v~1700v之間的半導體功率器件的最高市場容量已經統計出來。
致謝(略)
：鞏經理
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