現實與理想的差異，對于功率器件的主要要求包括：

 

?低導通電壓(低導通電阻)

?低漏電流

?能夠以最小的電流 / 電壓進行快速切換

這些與導通損耗、關斷損耗和開關損耗有著直接的關系。除此之外，

?較大的安全工作區域(魯棒性)和可靠性也是極為重要！

 

而在這些方面，SiC 表現出了巨大的發展潛力。

 

2、電場強度、導通電阻

下圖是相同擊穿電壓下 SiC 和 Si 的單側突變結中的電場分布：

 

 

 

可見，SiC 的擊穿電場強度是 Si 的 10 倍左右，所以 SiC 功率器件中的電壓阻擋層的厚度可以是 Si 器件中的 1/10。并且其摻雜濃度也可以高出兩個數量級，因此在任何給定的阻斷電壓下，SiC 代替 Si 的單極器件中可以將漂移層的電阻降低 2~3 個數量級。

 

這一特點對于高壓場合顯得尤為重要，漂移層電阻 Rdrift 與阻斷電壓 VB 的(2~2.5,這個系數需要綜合考慮來確定)成比例，并且也是覺得器件總導通電阻 Ron 的主要因素。

 

沒有內置電壓的功率器件的導通損耗 Pon，由 Ron*J²on 決定，其中 Jon 是導通電流密度(在額定電流下一般為 100~300A/cm²)。因此，SiC 器件極低的抗漂移性有助于降低導通損耗。

 

下圖是 Si 和 SiC 單極器件的最小導通電阻(漂移層電阻)相對于阻斷電壓的曲線：

 

 

 

最小導通電阻我們可以由下式得出：

 

Rdrift=4VB²/(ηεμEB³)

 

其中，ε、μ和 EB 分別是介電常數、遷移率和擊穿場強；η是室溫下摻雜劑的電離率(“2 次方”是上文提到的系數)。

 

在輕摻雜的 n 型 SiC 中，由于氮供體相對較淺，η約為 0.85~1.0。這對于寬帶隙半導體尤為重要，在寬帶隙半導體中經常會觀察到摻雜劑的不完全電離，實際上，由于室溫下鋁受體的空穴遷移率較低并且離子化率小，所以 p 型 SiC 肖特基二極管和功率 MOS 無法與 Si 基競爭。

 

3、"快速"切換

SiC 功率器件的另一個重要特點就是快速切換，反向恢復小，能夠滿足更高的頻率。中高壓應用中，Si 基的雙極型器件通過少數載流子的注入，電導率調制能夠顯著的降低導通電阻。但是，雙極型器件存在少數載流子存儲的原因，導致開關速度較慢以及關斷操作中的反向恢復大。而，這些應用中，SiC 單極器件由于導通電阻很低并且不存在少數載流子存儲，可以成為較理想的選擇。SiC 雙極型器件也可以提供快速切換，因為電壓阻擋區的厚度薄了約 10 倍(上面提到過)，與 Si 的雙極型器件相比，該區域中存儲的電荷相應地小了約 10 倍。

 

4、高結溫和工藝技術

由于帶隙寬和化學穩定性，使用 SiC 器件的設備可以在高溫(＞250℃)下運行，這一點在當下的應用中無疑十分吸引人，更高的溫度上限可以優化散熱裝置，而 SiC 器件本身甚至可以在 500℃或更高的溫度下運行。

 

而封裝技術是 SiC 功率器件發展的另一個重要問題。

 

比如，由于摻雜劑在 SiC 中極小的擴散常數，通過擴散工藝進行雜質摻雜很難實現，所以一般通過外延生長或者離子注入來進行摻雜；

在 SiC 中，即使在高溫活化退火之后，高密度的深能級和擴展的缺陷仍保留在離子注入區以及注入尾部內，這導致注入結附近的載流子壽命很短(＜0.1us)，這不利于雙極型器件，所以有效的載流子注入和擴散是必不可少的。

 

所以，SiC 雙極型器件中的 pn 結僅通過外延生長來制造，但是對于制造 SBD 和 MOSFET 之類的 SiC 單極器件，由于其通過注入結可以獲得幾乎理想的擊穿特性，并且單極器件的正常工作中并不涉及載流子注入，所以離子注入比較有用。

 

(摻雜等可以查看之前的推送)

 

5、更高的電壓等級

下圖是 Si 基和 SiC 基的單極 / 雙極型功率器件的電壓等級分布：

 

 

 

對于 Si 基功率器件，單極和雙極器件的分界線在 300~600V，而在 SiC 功率器件中，這個邊界向后移動了大約 10 倍的阻斷電壓，即幾 kV。預計 SiC 將在 300V~6500V 的阻斷電壓范圍內替代 Si 的雙極型器件，并且 SiC 的雙極型器件在 10kV 以上的超高壓應用中也是"魅"不可擋。

 

可見，SiC 的發展不僅在于其本身的特性，還在于外部因素的適配。當然，隨著時間的推移，這些都將會逐一解決！