有三大因素正影響下一代功率半導體元件的發展及應用：(1) 法規要求電源轉換系統的效能要持續改善；(2) 市場對更輕、更小、更節省成本以及具有更多整合性功能的需求越來越高；(3) 新興應用的崛起，例如電動汽車（EV）和固態變壓器（solid state transformer, SST）之應用。目前矽仍然是電力電子元件中最常被用到的材料，雖然矽元件技術不斷提升，但是它仍然有其物理極限，因此我們在面對越來越高的動力系統標準時必須思考因應之道。
過去十年元件製造商已經證實碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）這類的寬能隙（WBG）材料可以為下一代功率半導體元件的發展帶來多重優勢。寬能隙元件在性能、工作溫度、功率處理效率以及新功能等方面有長足的進步，這些都是矽元件所不可能做到的。由於這個原因，WBG功率元件現在被認為是功率半導體元件的未來。
SiC元件日益普及的原因與其元件的種類逐漸完備足以構成一套完整動力系統有關，這些元件包括SiC二極體、開關元件以及模組等。而這些元件能日漸齊全的原因是因為有越來越多的供應商願意提供更經濟與可接受的價格。GaN功率元件在相當短的時間內已經被商用化。由於成品特性以及成熟度的不同，SiC和GaN元件逐漸在不同的市場中各自發展，彼此看似獨立但是功能互補。
碳化矽被用在電力系統的原因是因為我們已經證明它的效率比矽更高。碳化矽MOSFET的主要優點是它具有相當低的切換損耗，因此效率提高並且可以在更高的頻率下工作。
由於討論寬能隙可能需要相當長的篇幅，本文將針對SiC技術在電源轉換系統應用上的優勢進行討論。
SiC材料的優勢
表1所示的寬能隙材料特性解釋了為什麼SiC功率元件的性能可以超越矽。首先碳化矽的崩潰電場強度比矽高10倍，再者SiC元件可以用薄很多的漂移區厚度承受與矽元件相同的崩潰電壓。從理論上推斷，碳化矽與矽相比在同樣的崩潰電壓下每單位面積漂移層的電阻只有矽的1/300。
與矽相比，SiC具有10倍的絕緣崩潰電場強度，3倍的能帶隙寬度和3倍的熱傳導率。現今半導體元件結構中必要的p型和n型區域都可以在碳化矽中形成。這些元件可以用極薄的漂移層製作出具有非常高崩潰電壓（600V以上）的元件，而且相對於矽元件而言具有非常低的電阻。高壓元件的電阻主要是由漂移區的厚度來決定。與矽相比，在相同的崩潰電壓下碳化矽每單位面積的電阻可以降低到1/300的程度。這些特性讓碳化矽變成極佳的功率元件材料並且遠遠超過矽元件的表現。
第一個商業化的SiC肖特基勢壘二極體（Schottky Barrier Diodes, SBD）已經進入市場超過十年並且被導入許多動力系統之中，其中最為人知的是功率因子校正（power factor correction, PFC）的切換式電源供應器。對SiC MOSFET而言，技術成熟度、性能以及由於產量與競爭不斷增加讓成本顯著降低，有越來越多的應用開始採用SiC MOSFET。碳化矽SBD目前的額定電流與崩潰電壓在1A-60A 和600V-1700V之間。因此，SiC元件通常與矽MOSFET在600V-900V之間，或與IGBT在1kV以上的範圍競爭。
碳化矽MOSFET目前受到越來越多電源設計者的青睞，其中原因包括其常閉特性與受電壓控制的優點。除此之外碳化矽MOSFET的柵極驅動電路相對於結柵場效應電晶體（junction gate field-effect transistor, JFET）和雙極結電晶體而言（bipolar junction transistor, BJT）都較為簡單。
高溫優勢
SiC功率元件的高溫優勢還沒有得到充分的利用，這是受到封裝技術的限制以及系統中其他相關零件操作溫度較低的緣故。目前市場上可取得產品的額定操作溫度在150˚C至175˚C之間，而使用特殊晶片鍵合技術的SiC功率模組可以在250˚C操作。研發階段對SiC的測試顯示其操作溫度可高達650˚C，相對而言矽半導體元件的溫度上限只有300˚C。
此外，碳化矽的導熱係數是矽的三倍。這些特性都有助於降低操作時的冷卻需求，從而更易於冷卻SiC元件。如此一來散熱系統可以做得更小、更輕也更節省成本。
促使電源切換效率之改善
一個理想的電源開關是導通時能夠承載大電流同時導通電壓降為零，在關閉狀態時可阻斷高電壓同時漏電流為零，還有在切換時不論是從關閉到導通或相反的情況下其能量耗損皆為零。對矽元件而言，很難同時達到這些彼此權衡的特性，尤其是在高電壓和高電流的條件下。為了解決這個問題，很多設計採用絕緣柵雙極性電晶體（IGBT）元件。IGBT同時具有高崩潰電壓與低導通電阻的特性，其低導通電阻的優勢來自少數載子注入漂移區以減少導通時的電阻，也因此當電晶體截止的時候就需要一段時間讓這些載子重新結合並從漂移區「消散」，如此將增加切換損耗和時間。
與IGBT相對的元件是MOSFET，它是多數載子元件因此它沒有所謂「尾電流」。碳化矽MOSFET因此可以滿足電源開關的三項要求 - 高崩潰電壓、低導通電阻和快速切換速度（圖一）。與矽IGBT和快速恢復二極體（FRDs）的組合相比，ROHM結合SiC MOSFET和SiC SBD在同一模組內可降低88％的關閉損耗和34％的導通耗損，使得切換頻率可達到數百kHz。關閉特性的改善來自於MOSFET不存在尾電流的問題。而開啟特性的改善則在於SiC二極體的恢復損耗較矽元件低相當多。
圖一：矽MOSFET和SiC-MOSFET導通電阻之比較。
電源系統的設計因為低切換損耗的特性而可獲得以下顯著的好處：
● 產生更少的熱量表示冷卻系統可以更簡單、更便宜、更小和/或更輕，最終達到更高的功率密度。
● 切換頻率可以提高，因此可縮小被動元件（電容器，電感器）的尺寸，從而降低系統成本、尺寸和重量。
● 工作溫度得以降低，因此元件不需要降低操作時的額定能力，從而允許使用更小與更便宜的零件。對系統而言這意味可以用較低額定能力的碳化矽系統取代較高額定能力的矽元件。
圖二和圖三的測試其測試條件為Vdd =400V、Icc=20A、25˚C，並且包括二極體的恢復損耗。圖四顯示在20 kHz切換頻率下，一個100-A等級的SiC半橋模組只需要空氣冷卻就可以取代以水冷方式的200-A等級的矽IGBT模塊。
圖二：顯示88％關閉損耗降低：以SiC MOSFET+ SiC SBD與Si IGBT+ Si FRD相比。
圖三：顯示34％導通損耗降低：以SiC MOSFET+ SiC SBD與Si IGBT+ Si FRD相比。
圖四：較低的切換損耗顯示可用100A的SiC模組來替換200A IGBT模組。
碳化矽MOSFET的可靠性
可靠性是電力電子設計中最重要的考慮因素。因此電力系統工程師的第一個問題是：「SiC跟矽一樣的可靠嗎？」 與整體可靠性相關的三個最重要的項目是柵極氧化層的可靠性、柵極臨限電壓 Vt 的穩定性、以及體二極體 (body diode) 在逆向偏壓下的耐性 (robustness)。
柵極氧化層受到過度電場施力 (electrical overstress)， 是MOS元件常見的故障模式。因此柵極氧化層的品質直接影響到碳化矽MOSFET的可靠性。好消息是製造商以不影響元件壽命，或者電性穩定的方式大幅降低缺陷密度（界面缺陷和體缺陷），從而成長出高品質的氧化層。
測試柵極氧化層品質的標準測試方法是所謂的Constant Current Stress Time-Dependent Dielectric Breakdown（TDDB CCS），如圖五所示。累積電荷QBD是柵極氧化層的品質指標。15-20 C/cm2約為矽MOSFET的氧化層累積電荷範圍。圖六顯示當施加一個正電壓在柵極一段時間後，氧化層與碳化矽介面的晶體缺陷會捕捉電子，從而造成Vth的上升。
圖五：（左圖）Constant Current - Time Dependent Dielectric Breakdown(TDDB CCS)測量
圖六：（中圖）因為持續施加柵極正電壓造成Vth上升。
圖七顯示當施加負電壓時，缺陷會捕捉電洞造成Vth減小 – 程度約為0.3V或更少。這些結果是以ROHM型號SCT2080KE的SiC MOSFET進行測試。這樣的測試結果媲美矽MOSFET。而且在實際的應用中變化的幅度將小很多，因為MOSFET在應用中是交替地開啟和關閉，因此被捕捉的電子和電洞有機會在開關的週期之間「逃離」。也因此能導致Vth偏移的受困載子將會少得多。
圖七：（右圖）因為持續施加柵極負電壓造成Vth下降。
電源轉換系統的新時代
儘管在過去十年碳化矽相關技術已經出現許多顯著的進步，此外供應鏈也不斷地擴大，然而SiC元件的寬能隙技術產業還是有很長的路要走才能充分發揮其潛力。新一代SiC功率元件必須大步向前，利用材料與特性上的優勢迎接新時代高容量電源轉換應用的來臨，例如電動汽車和固態變壓器。碳化矽也可以作為未來技術發展的正向催化劑，除了增進應用與效能，同時也繼續刺激市場需求的提升。SST-AP/Taiwan
資料來源：半導體科技 2014/04/29