第4讲：SiC的物理特性

与Si材料相比，SiC半导体材料在物理特性上优势明显，比如击穿电场强度高、耐高温、热传导性好等，使其适合于制造高耐压、低损耗功率器件。本篇章带你详细了解SiC材料的物理特性。

SiC作为半导体功率器件材料，具有许多优异的特性。4H-SiC与Si、GaN的物理特性对比见表1。与Si相比，4H-SiC拥有10倍的击穿电场强度，可实现高耐压。与另一种宽禁带半导体GaN相比，物理特性相似，但在p型器件导通控制和热氧化工艺形成栅极氧化膜方面存在较大差异，4H-SiC在多用途功率MOS晶体管的制备方面具有优势。此外，由于GaN是直接跃迁型半导体，少数载流子寿命较短，因此通过电导调制效应来实现低导通电阻器件的效果并不理想。

表1：SiC和Si、GaN的物理特性对比

比较功率器件不同材料的性能时，通常使用性能指数BFOM（Baliga’s Figure of merit）。BFOM与理想单极型器件的电阻成反比，可通过以下公式计算。

由于BFOM与击穿电场强度的三次方成正比，而SiC的数值是Si的10倍，这有利于实现低电阻单极器件。根据表中数值，与Si相比，SiC单极性器件的电阻有可能降低至Si的1/667。此外，电阻与器件击穿电压的平方成正比，因此对于高耐压（额定电压），单极性器件的电阻会急剧增加。所以，使用Si材料来实现千伏级耐压的单极性器件并不现实，因为电阻过大，但可以通过使用SiC来实现。SiC器件的主要目标就在中高压领域，三菱电机率先使用SiC实现了千伏级单极性器件，为包括铁路牵引系统在内的许多电力电子系统带来了革新。

关于SiC物理特性的各向异性，在制造器件时需要考虑几个问题。4H-SiC的击穿电场强度在（0001）方向（衬底厚度方向）的值比其他方向大。对于体电子迁移率，（0001）方向也比其他方向大。另一方面，比较采用SiC各晶面制造的MOS结构的沟道迁移率，（0001）面的值较小，而垂直于（0001）面的值较大，这意味着，与在（0001）面制造的平面栅MOS相比，沟槽栅MOS的沟道电阻更低。

存在于SiC MOS界面的载流子捕获，它是SiC MOSFET特性不稳定和经时变化的原因，目前改善措施正在进行中。三菱电机已开发出一种可提高稳定性的MOS界面形成方法，实现了MOS特性的稳定性。

热氧化膜的生长速度也因晶面的不同而存在很大差异，例如，（000-1）面的氧化速度约为（0001）面的10倍。在器件制造过程中，需考虑到氧化速度的各向异性，并根据结构对制造工艺做出相应的处理。

宽禁带半导体通常难以实现两种导电方式，要么p型导电，要么n型导电。尽管SiC是一种宽禁带半导体，但它是少数几种可制造出p型和n型高载流子浓度的材料之一。通常，用于n型半导体导电性控制的掺杂是V族元素的氮、磷，而用于p型半导体导电性控制的掺杂是III族元素的铝、硼。关于硼，由于受主能级较深，无法获得低电阻p型半导体，因此常用在保持器件耐压的终端区域。此外，与Si等材料相比，由于SiC的晶体结构较为复杂，掺杂原子取代的位置不同会导致形成的能级不同。在推导载流子迁移率、估算电阻值的温度依赖性等方面，严格来说需要考虑这一点，但在估算器件特性时，使用平均值并没有问题。

SiC作为功率器件材料的另一个优点是其热导率高（约为Si的3倍）。这一优势得益于SiC原子间距短、键合力强，有助于降低器件工作时的最高温度。此外，即使在高达800℃的温度下，SiC仍能保持其半导体特性。目前，除SiC外的其他材料，使用温度的上限受到限制，仍在继续开发中。

另外，在将SiC应用于功率芯片时，需考虑SiC材料的特性，其杨氏模量较大（约为Si的3倍），是一种非常硬的材料，因此受温度循环等因素产生的应力可能会非常大，这可能成为决定器件寿命的主要因素。

关于三菱电机

三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。截止2024年3月31日的财年，集团营收52579亿日元（约合美元348亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有68年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。