在過去的四十年里，由于采用了更好的設計和制造工藝，以及高質量材料的可用性，基于硅技術的功率器件取得了重大進展。然而，大多數(shù)商用功率器件現(xiàn)在正在接近硅提供的理論性能極限，特別是在它們阻擋高壓的能力、在導通狀態(tài)下提供低電壓降以及它們在非常高的頻率下開關的能力方面。幾年來，許多專門從事電子設計領域的研究人員和公司一直致力于尋找硅的替代解決方案，以滿足最新一代電源應用對效率、可靠性和低成本的要求。碳化硅 (SiC)是一種寬帶隙 (WBG) 材料，可提供遠超硅在電力應用中提供的性能所需的卓越電氣和物理特性。更高的能帶隙使 WBG 材料在功率轉換應用中優(yōu)于硅?；? WBG 的設備，例如碳化硅，與同等的基于硅的設備相比，能夠以更小的尺寸承受更高的工作溫度。

GeneSiC Semiconductor 是一家由 Ranbir Singh 博士創(chuàng)立并擔任主席的公司，幾年前開始開發(fā) SiC 功率器件技術，成為該領域的先驅和世界領導者，擁有 26 項美國專利。GeneSiC 提供的 SiC 器件技術在實現(xiàn)眾多電力應用(例如汽車、智能電網(wǎng)、工業(yè)、航空航天和國防、石油和天然氣、可再生能源、醫(yī)療和運輸行業(yè))的高效率方面發(fā)揮著關鍵作用。

“GeneSiC 成立于 2004 年，很快就獲得了第一個關于碳化硅器件的專利。盡管我們的很多資金實際上來自美國政府，用于下一代創(chuàng)新 SiC 技術的開發(fā)，但我們不希望僅僅被視為一個利基參與者。我們是一個非常專注于技術的團隊，我們希望以一流的性能和可靠性為我們的客戶提供 SiC 功率器件，并提供創(chuàng)新的技術、最高的質量、具有競爭力的大批量周轉價格和較短的交貨時間。我們提供全面的產品組合，包括 100 多種碳化硅產品，并提供強大的產品和客戶支持”，Ranbir Singh 博士說。

碳化硅的好處

作為寬帶隙半導體，碳化硅表現(xiàn)出比硅更大的帶隙能量(3.2eV，約為硅的三倍，等于1.1eV)。因為需要更多的能量來激發(fā)半導體導電帶中的價電子，所以可以實現(xiàn)更高的擊穿電壓、更高的效率和更好的高溫熱穩(wěn)定性。SiC MOSFET 的主要優(yōu)點是低漏源導通電阻 (R DS(ON))，在相同擊穿電壓下比硅器件低300-400倍。因此，基于 SiC 的功率器件能夠提供更高的功率水平，從而最大限度地減少功率損耗、提高效率并減少組件占位面積?；?SiC 的器件提供高電熱導率和極高的開關速度。低輸出電容和低 R DS(ON)使 SiC 器件適用于開關設計，例如電源、三相逆變器、放大器和電壓轉換器(AC-DC 和 DC-DC)。使用 SiC 器件還可以顯著節(jié)省成本并減小許多開關應用中使用的磁性元件(變壓器、電感器、電感器)的尺寸。

熱導率是一個額外的關鍵特性，它表明提取半導體器件中功率損耗產生的熱量是多么容易，從而防止器件的工作溫度危險地升高。對于導熱率低的半導體器件，如硅，更難保持較低的工作溫度。為此，引入了一種特定的操作模式，稱為降額，其中引入了部分性能下降，以免在高溫下?lián)p害組件。相反，高熱導率確保設備可以充分冷卻，而不會導致性能下降。碳化硅能夠在至少 200°C 的溫度下工作，這比硅 MOS 器件的典型結溫高 50°C。對于許多 SiC 器件，該溫度可高達 400°C 或更高。這一特性使 SiC 功率器件即使在高溫下也能高效運行，避免性能降級和平均故障時間 (MTTF) 的減少，同時提高質量和可靠性。

“在熱管理方面，我想說目前我們的產品都是采用非常先進的熱管理封裝技術制造的。例如，我們所有的產品，除了 DO-214 (SMD) 封裝外，都是用 Ag-sintering 制成的?！盧anbir Singh 博士說。

銀燒結是一種芯片貼裝和鍵合技術，可提供無空隙且牢固的鍵合，具有出色的導熱性和導電性。Ag-sintering能夠將電子器件的結溫(Tj)降低100℃。

顯示了 N 溝道增強模式 GeneSiC 碳化硅 MOSFET。該器件具有 V DS =1.2kV、R DS(ON) =20mΩ 和 I D =65A，適用于電力應用，例如：電動汽車快速充電、太陽能逆變器、智能電網(wǎng)、工業(yè)逆變器和電機驅動、交通運輸和更多的。

碳化硅設計考慮

即使硅能夠滿足電力電子領域當前的大部分需求，其化學物理特性也限制了其在高溫和高工作電壓下的性能。為確保器件在這些條件下正常運行，GeneSiC 提供基于 SiC 的器件，例如 MOSFET 晶體管、肖特基二極管(包括具有合并引腳肖特基或 MPS 設計的器件)、PiN 二極管和結型晶體管。在過去的幾年里，碳化硅器件的結構和制造工藝得到了完善，解決了一些操作和可靠性方面的問題，包括與 SiC MOSFET 中柵極氧化物的可靠性有關的問題。

“關于柵極氧化物的可靠性問題，GeneSiC 的 SiC MOSFET 的設計最大柵極氧化物場遠低于每厘米 4 兆伏。關于氧化物可靠性的第二個方面是柵極氧化物-SiC 界面的質量。用于 GeneSiC 的 SiC MOSFET 制造的柵極氧化工藝確保了非常低的缺陷密度，無論是在柵極氧化物內還是在柵極氧化物-SiC 界面處，”Ranbir Singh 博士說。

與SiC MOSFET 晶體管相關的另一個重要方面與內置體二極管的穩(wěn)定性有關。在傳統(tǒng)的 H 橋功率轉換電路中，MOSFET 體二極管在續(xù)流運行期間傳導額定電流。由于體二極管的工作，來自幾家領先器件供應商的 SiC MOSFET 導致器件特性顯著下降。

“因此，這個(體二極管穩(wěn)定性)方面與 SiC 材料、起始 SiC 襯底晶圓中的某些缺陷以及如何生長碳化硅外延層有關;層的設計方式和使用的生長技術決定了體二極管的穩(wěn)定性”，Ranbir Singh 博士說。

有時，很容易將組件的可靠性與其穩(wěn)健性相混淆。后者是一個參數(shù)，用于證明設備可以承受的電氣濫用程度，即使是很短的時間。有些操作可以很好地執(zhí)行，例如使用肖特基二極管，而其他操作則不能，因為它們無法承受雪崩擊穿條件下的操作。.

“在 GeneSiC，我們確保我們所有的設備都保證達到業(yè)內最高的穩(wěn)健性水平。我們的 SiC MPS TM整流器和 MOSFET 經(jīng)過 100% 雪崩測試。我們的 SiC MOSFET 在 RDS ON最低的情況下具有最長的短路時間，因此應該在這里找到一個很好的折衷方案?！盧anbir Singh 博士說。