SiC功率半导体器件优势与发展前景(刘)(2015)
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功率晶闸管用来实现大容量的电流控制，在低频相位控制领 域中已得到广泛应用。但是,由于这类器件的工作频率受到 dV/dt、di/dt的限制，目前主要用在对栅关断速度要求较低的 场合（在KHz范围）。 在较高的工作频率，一般采用功率双极结晶体管，但是对以 大功率为应用目标的BJT，即使采用达林顿结构，在正向导 通和强迫性栅关断过程中，电流增益β值一般也只能做到<10， 结果器件需要相当大的基极驱动电流。此外，BJT的工作电 流密度也相对较低（～50 A/cm2），器件的并联使用困难， 同时其安全工作区（SOA）受到负阻引起的二次击穿的限制。
示例
最小导通电阻
当今水平（T-MAX):
导
Si-MOSFET: 560 mΩ
通
SiC-FET: 50 mΩ (6 mΩ)
电 阻
Ωcm²
理论极限（T-MAX):
Si-MOSFET: ≈ 400 mΩ SiC-FET: ≈ 1 mΩ
击穿电压/V
3) SiC的热导率高（是Si的2.5倍, GaAs的8 倍），饱和电子漂移速度高（是Si 及GaAs的2 倍）,适合于高温高频工作。
第二代-功率MOSFET。
MOSFET具有极高的输入阻抗，因此器件的栅控 电 件流，极 因小 而（ 可以IG~在10更0高nA的数频量率级下）（。1M0O0KSHFzE以T是上多）子实器 现开关工作，同时MOSFET具有比双极器件宽得多 的安全工作区。正是因为这些优点，使功率 MSOFET从80年代初期开始得到迅速发展，已形成 大量产品，并在实际中得到广泛的应用。
下面就一些SiC典型器件对其优势进行分析:
1) P-i-N二极管
P-i-N二极管是广泛采用的电力电子高压 整流元件。Si 的P-i-N二极管主要靠厚的本 征i飘移区维持反向高压,厚的本征i区增加了 正向导通压降。对于SiC的情形,在相同反向 耐压时,飘移区的掺杂浓度可以高很多,其厚 度比Si 器件的薄很多(见下表),由此可以得 到低的正向导通损耗。
Si及SiC P-i-N二极管击穿电压同漂移区厚度的关系
2)肖特基二极管
肖特基二极管是单极器件 （见右图） ,具有快的正到反向 的恢复时间,是电力电子中重wenku.baidu.com 的高频整流元件。对于Si 器件, 在较高击穿电压时飘移区电阻 迅速增加,由此产生显著功率损 耗。一般Si肖特基二极管工作 电压约为200V,改进的结构也不 超过600V。 SiC肖特基二极管 可以用低得多的飘移区获得很 高的击穿电压。
如上所述, 尽管Si功率半导体器件经过半个世纪的 发展取得了令人瞩目的成绩,但是由于Si材料存在难 以克服的缺点,它们使Si功率半导体器件的发展受到 极大的限制。首先, Si的较低的临界击穿场强Ec,限 制了器件的最高工作电压以及导通电阻,受限制的导 通电阻使Si功率半导体器件的开关损耗难以达到理 想状态。Si较小的禁带宽度Eg及较低的热导率λ,限 制了器件的最高工作温度(~200ºC)及最大功率。为 了满足不断发展的电力电子工业的需求,以及更好地 适应节能节电的大政方针,显然需要发展新半导体材 料的功率器件。
2. SiC功率半导体器件的优势
SiC是一种具有优异性能的第三代半导体材料, 与第一、二代半导体材料Si和GaAs相比， SiC材料及器件具有以下优势： 1) SiC的禁带宽度大（是Si的3倍，GaAs的2 倍）, 本征温度高,由此SiC功率半导体器件的 工作温度可以高达600°C。
2) SiC的击穿场强高（是Si的10倍, GaAs的7 倍）, SiC功率半导体器件的最高工作电压比 Si的同类器件高得多; 由于功率半导体器件的 导通电阻同材料击穿电场的立方成反比,因此 SiC功率半导体器件的导通电阻比Si的同类器 件的导通电阻低得多,结果SiC功率半导体器 件的开关损耗便小得多。
SiC功率半导体器件的优势 及发展前景
报告内容
1. Si功率半导体器件的发展历程及限制 2. SiC功率半导体器件的优势 3. SiC功率半导体器件的发展前景
1. Si功率半导体器件的发展历程及限制
Si功率半导体器件的发展经历了如下三代: 第一代-Si双极晶体管(BJT )、晶闸管（SCR）及其派生器件。
碳化硅和硅性质比较的图示
硅--面心立方晶体 碳化硅--立方晶体(一种)和六方晶系 （4H,6H等多种)
击穿范围(MV/cm) 导热性（W/cmK) 电子迁移率(*10³cm²/Vs) 饱和速（* 1 0 7 cm/s） 带隙（eV）
SiC同Si一样,可以直接采用热氧化工艺在 SiC表面生长热SiO2,由此可以同Si一样, 采 用平面工艺制作各种SiC MOS相关的器件, 包括各种功率SiC MOSFET及IGBT。与同 属第三代半导体材料的ZnO、GaN等相比， SiC已经实现了大尺寸高质量的商用衬底， 以及低缺陷密度的SiC同质或异质结构材料, 它们为SiC功率半导体器件的产业化奠定了 良好的基础。
比但双是极，器功件率以MO更S快F的ET速的率导随通击电穿阻电rO压N以增至加于而跨变导坏g,m这 使它们在高压工作范围处于劣势。
第三代-绝缘栅双极晶体管(IGBT)。 它是一种包括MOSFET以及双极晶体管的复合功率 半导体器件,兼有功率MOSFET和双极晶体管的优点。 自1982年由美国GE公司提出以来，发展十分迅速。 商用的高压大电流IGBT器件仍在发展中，尽关德国 的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件 已经获得实际应用,但其电压和电流容量还不能完全 满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压 领域的许多应用中，要求器件的电压达到10KV以上, 目前只能通过IGBT串联等技术来实现。
SiC肖特基二极管同Si超快恢复二极管的比较
SiC肖特基二极管 高阻断电压 高开关速度 高温时稳定性好
3) 单极场效应晶体管
这里指的是MESFET(金 属半导体接触场效应晶体 管)及JFET(结型效应晶体 管),它们的结构见右图。 采用SiC特别适合制作这 二种高压大电流器件。同 样,飘移区在决定它们的 优良特性方面起决定作用。 不过这二种器件通常是常 导通型,不适合直接用于 开关。但是它们可以同低 压功率MOSFET结合构 成一种常截止型器件,因 而发展这二种高压大电流 器件有重要的意义。
示例
最小导通电阻
当今水平（T-MAX):
导
Si-MOSFET: 560 mΩ
通
SiC-FET: 50 mΩ (6 mΩ)
电 阻
Ωcm²
理论极限（T-MAX):
Si-MOSFET: ≈ 400 mΩ SiC-FET: ≈ 1 mΩ
击穿电压/V
3) SiC的热导率高（是Si的2.5倍, GaAs的8 倍），饱和电子漂移速度高（是Si 及GaAs的2 倍）,适合于高温高频工作。
第二代-功率MOSFET。
MOSFET具有极高的输入阻抗，因此器件的栅控 电 件流，极 因小 而（ 可以IG~在10更0高nA的数频量率级下）（。1M0O0KSHFzE以T是上多）子实器 现开关工作，同时MOSFET具有比双极器件宽得多 的安全工作区。正是因为这些优点，使功率 MSOFET从80年代初期开始得到迅速发展，已形成 大量产品，并在实际中得到广泛的应用。
下面就一些SiC典型器件对其优势进行分析:
1) P-i-N二极管
P-i-N二极管是广泛采用的电力电子高压 整流元件。Si 的P-i-N二极管主要靠厚的本 征i飘移区维持反向高压,厚的本征i区增加了 正向导通压降。对于SiC的情形,在相同反向 耐压时,飘移区的掺杂浓度可以高很多,其厚 度比Si 器件的薄很多(见下表),由此可以得 到低的正向导通损耗。
Si及SiC P-i-N二极管击穿电压同漂移区厚度的关系
2)肖特基二极管
肖特基二极管是单极器件 （见右图） ,具有快的正到反向 的恢复时间,是电力电子中重wenku.baidu.com 的高频整流元件。对于Si 器件, 在较高击穿电压时飘移区电阻 迅速增加,由此产生显著功率损 耗。一般Si肖特基二极管工作 电压约为200V,改进的结构也不 超过600V。 SiC肖特基二极管 可以用低得多的飘移区获得很 高的击穿电压。
如上所述, 尽管Si功率半导体器件经过半个世纪的 发展取得了令人瞩目的成绩,但是由于Si材料存在难 以克服的缺点,它们使Si功率半导体器件的发展受到 极大的限制。首先, Si的较低的临界击穿场强Ec,限 制了器件的最高工作电压以及导通电阻,受限制的导 通电阻使Si功率半导体器件的开关损耗难以达到理 想状态。Si较小的禁带宽度Eg及较低的热导率λ,限 制了器件的最高工作温度(~200ºC)及最大功率。为 了满足不断发展的电力电子工业的需求,以及更好地 适应节能节电的大政方针,显然需要发展新半导体材 料的功率器件。
2. SiC功率半导体器件的优势
SiC是一种具有优异性能的第三代半导体材料, 与第一、二代半导体材料Si和GaAs相比， SiC材料及器件具有以下优势： 1) SiC的禁带宽度大（是Si的3倍，GaAs的2 倍）, 本征温度高,由此SiC功率半导体器件的 工作温度可以高达600°C。
2) SiC的击穿场强高（是Si的10倍, GaAs的7 倍）, SiC功率半导体器件的最高工作电压比 Si的同类器件高得多; 由于功率半导体器件的 导通电阻同材料击穿电场的立方成反比,因此 SiC功率半导体器件的导通电阻比Si的同类器 件的导通电阻低得多,结果SiC功率半导体器 件的开关损耗便小得多。
SiC功率半导体器件的优势 及发展前景
报告内容
1. Si功率半导体器件的发展历程及限制 2. SiC功率半导体器件的优势 3. SiC功率半导体器件的发展前景
1. Si功率半导体器件的发展历程及限制
Si功率半导体器件的发展经历了如下三代: 第一代-Si双极晶体管(BJT )、晶闸管（SCR）及其派生器件。
碳化硅和硅性质比较的图示
硅--面心立方晶体 碳化硅--立方晶体(一种)和六方晶系 （4H,6H等多种)
击穿范围(MV/cm) 导热性（W/cmK) 电子迁移率(*10³cm²/Vs) 饱和速（* 1 0 7 cm/s） 带隙（eV）
SiC同Si一样,可以直接采用热氧化工艺在 SiC表面生长热SiO2,由此可以同Si一样, 采 用平面工艺制作各种SiC MOS相关的器件, 包括各种功率SiC MOSFET及IGBT。与同 属第三代半导体材料的ZnO、GaN等相比， SiC已经实现了大尺寸高质量的商用衬底， 以及低缺陷密度的SiC同质或异质结构材料, 它们为SiC功率半导体器件的产业化奠定了 良好的基础。
比但双是极，器功件率以MO更S快F的ET速的率导随通击电穿阻电rO压N以增至加于而跨变导坏g,m这 使它们在高压工作范围处于劣势。
第三代-绝缘栅双极晶体管(IGBT)。 它是一种包括MOSFET以及双极晶体管的复合功率 半导体器件,兼有功率MOSFET和双极晶体管的优点。 自1982年由美国GE公司提出以来，发展十分迅速。 商用的高压大电流IGBT器件仍在发展中，尽关德国 的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件 已经获得实际应用,但其电压和电流容量还不能完全 满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压 领域的许多应用中，要求器件的电压达到10KV以上, 目前只能通过IGBT串联等技术来实现。
SiC肖特基二极管同Si超快恢复二极管的比较
SiC肖特基二极管 高阻断电压 高开关速度 高温时稳定性好
3) 单极场效应晶体管
这里指的是MESFET(金 属半导体接触场效应晶体 管)及JFET(结型效应晶体 管),它们的结构见右图。 采用SiC特别适合制作这 二种高压大电流器件。同 样,飘移区在决定它们的 优良特性方面起决定作用。 不过这二种器件通常是常 导通型,不适合直接用于 开关。但是它们可以同低 压功率MOSFET结合构 成一种常截止型器件,因 而发展这二种高压大电流 器件有重要的意义。