深度揭秘 SiC MOSFET：从结构特性到应用优势，一文读懂碳化硅功率器件
深度揭秘 SiC MOSFET：从结构特性到应用优势，一文读懂碳化硅功率器件
在现代电力电子领域，随着科技的飞速发展，对功率器件的性能要求也日益严苛。传统的硅基功率器件逐渐难以满足一些高端应用场景的需求，而碳化硅SiC功率器件异军突起，其中碳化硅（SiC）MOSFET 更是凭借自身诸多优势成为行业焦点。SiC MOSFET 拥有快速开关速度，这一特性使其在众多功率器件中脱颖而出。那么，SiC MOSFET 究竟还有哪些神奇之处？它的结构和特性如何？在实际应用中又有着怎样的表现呢？让我们一同深入探索。
SiC MOSFET 内部晶胞单元主要有平面结构和沟槽结构两种类型。平面结构的 SiC MOSFET 工艺相对简单，单元一致性良好，雪崩能量较高。然而，它也存在一些不足，中间的 N 区夹在两个 P 区域之间，电流流过时会产生 JFET 效应，导致通态电阻增加，而且寄生电容也较大。与之不同，沟槽结构的 SiC MOSFET 将栅极埋入基体，形成垂直沟道。虽然这种结构使得工艺更为复杂，单元一致性和雪崩能量不如平面结构，但它能够增加单元密度，消除 JFET 效应，有效降低导通电阻，同时寄生电容更小，开关速度更快，开关损耗极低。因此，新一代的 SiC MOSFET 大多采用这种结构。
不过，沟槽结构也并非完美无缺。由于器件在高压状态下工作，内部电场强度高，尤其是沟槽底部，很容易超过最大临界电场强度，进而产生局部击穿，影响器件的可靠性。为了解决这一问题，各大厂商不断探索技术演进的方向，如 Rohm 的双沟槽结构和 Infineon 的非对称沟槽结构。这些结构的核心思路都是通过在沟槽底部增加缓冲层，或者将 P 区下移形成耗尽层，将沟槽底部氧化层的电场部分转移到 P 区耗尽层，从而减小沟槽底部的电场强度。
从成本方面来看，SiC MOSFET 的生产面临着一些挑战。以平面结构为例，SiC 晶体的衬底成本占比高达 38%，若加上衬底的减薄和抛光工艺，这一比例超过 50%。这主要是因为 SiC 生长速度慢、温度高、工艺复杂，容易产生晶格缺陷。此外，外延工艺成本占比约 17%，封装成本占比约 11%，产品良率导致的成本占比为 21%。如何控制生产过程中的缺陷，提高良率，是各厂家亟待解决的重要问题，这不仅关乎产品成本，更关系到产品在客户应用中的可靠性。
在性能表现上，SiC MOSFET 相较于传统的硅基功率器件具有显著优势。它具备更好的耐高温与耐高压特性，基于 SiC 材料的器件能获得更高的功率密度和能源效率。例如，SiC MOSFET 的沟槽式栅极结构产品与平面式相比，输入电容减小了 35%，导通电阻减小了 50% 。这些优势使得 SiC MOSFET 在众多领域得到了广泛应用，特别是在汽车领域的功率驱动电路、高压开关电源、数据中心电源、可再生能源以及能源存储系统等场景中，SiC MOSFET 正逐渐取代传统的硅功率开关。
在实际应用中，SiC MOSFET 也有着丰富的案例。像 ROHM 推出的第三代沟槽栅型 SiC-MOSFET，在多个项目中表现出色。在基于 Sic MOSFET 的直流微网双向 DC-DC 变换器项目中，其高效的性能得以充分展现。还有一些大电流应用场景，SiC MOSFET 模块也发挥了重要作用，满足了相关设备对大电流处理的需求。
SiC MOSFET 作为新一代的功率器件，在结构、性能和应用方面都展现出了巨大的潜力。尽管目前在生产和应用过程中还面临着一些挑战，但随着技术的不断进步和成本的逐步降低，相信 SiC MOSFET 将会在更多领域得到广泛应用，为电力电子行业的发展带来新的突破。未来，它有望推动相关产业向更高效率、更高功率密度的方向迈进，为人们的生活和社会的发展带来更多便利和创新。