Page 21 - 第三代半導體明日之星---碳化矽功率元件近況與展望

高溫與高崩潰電壓耐受力— 碳化矽的絕佳優勢
使得功率與速度無法兼顧。基於以 上因素，碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN) 等寬能隙(WBG)半導體材料在近十 年備受矚目。
碳化矽功率元件的應用
功率半導體元件廣泛應用於電 力系統、電源供應器、汽車電子、馬 達控制、無線射頻(RF)系統、通訊 設備或薄膜電晶體液晶顯示器等方 面。由於矽(Si)價格低廉且技術成 熟，目前絕大多數的功率半導體元 件均為Si元件。然而，因為Si的能隙 只有1.12eV，在高功率應用時，有 一些基本限制，包括低崩潰電壓、 高特徵導通電阻(Ron,sp)、高逆偏漏 電流、低工作溫度等，也因為耐壓 以及導通電阻的限制，在高功率應 用 時，必 須 使 用 雙 載 子 元 件，如 P i N 二極體(PND)或是絕緣閘極雙極性 電晶體(IGBT)，以取代單載子元件 如蕭特基位障二極體(SBD)和金氧 半場效應電晶體(MOSFET)，這也
SiC有250種結晶型態，其中的 4H-SiC已經確定是最適合製作高功 率半導體元件的結晶相。4H-SiC的 能隙是3.25eV，即使在300°C，本質 載子濃度仍低於室溫下的Si，所以很 適合在高溫環境操作;4H-SiC的臨 界崩潰電場比Si高10倍，可以在高 10倍的摻雜濃度下，達到10倍的崩 潰電壓，因為摻雜濃度提高、載子 漂移區縮短、特徵導通阻抗可以降 低100倍以上。GaN的載子遷移率比 4H-SiC高，可望有更高的工作頻率以 及更低的導通阻抗，而4H-SiC的導熱 係數比GaN大三倍，適用於高功率且 高溫環境。
高功率元件在應用時，功率元 件的額定電壓(rating voltage)必須 大於系統電壓。以電動車為例，目前 主要的電動車電池電壓是400V，但 是考慮功率模組的可靠度後，實際 使用650V等級的功率元件。
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圖2顯示FIT=100的系統電壓和 額定電壓的比例，系統電壓愈高，系 統電壓和額定電壓的比例愈低，表示 需要更高崩潰電壓的功率元件。當電 動車電池電壓提高到800V時，需要 使用1.2kV等級的功率元件。
圖1:SiC的材料和物理特性，以及這些特性在高功率系統的應用優勢。
時至今日，歐美日等SiC大廠，如 STMicroelectronics、Infineon、 Wolfspeed、Rohm等公司均有成熟 的650V、1.2kV等級的SiC MOSFET 產品，廣泛應用於電動車和充電設 施。更高電壓的應用或是更惡劣的 應用環境，例如風力發電機的電壓 雖然低於1kV，但是需要使用1.7kV等 級的功率元件，太陽能發電趨勢會提 高到1.5kV，屆時將需要3.3kV的功率 元件。其它如軌道運輸、高速鐵路、 智慧電網、工業馬達等，也都會需要 3.3kV甚至更高額定電壓的功率元 件，如 圖 3 所 示，日 本 的 新 幹 線 最 新 的N700列車就採用了3.3kV的SBD。
圖2:故障率FIT=100的應用電壓和額定電壓的比例。
圖3:SiC高功率元件的應用領域。
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