SiC功率半导体器件发展历程、优势和发展前景

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
Biblioteka Baidu
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功率半导体器件发展历程、 优势和发展前景
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。 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。
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。
SiC肖特基二极管同Si超快恢复二极管的比较
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。
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。
第二代-功率MOSFET。 MOSFET具有极高的输入阻抗，因此器件的栅控电流极小 （更I高G~的10频0N率A数下量（级10）0K。HZM以O上SFE）T是实多现子开器关件工，作因，而同可时以在 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。 但器是件，以功更率快M的O速SF率ET的随导击通穿电电阻压R增ON加以而至变于坏跨,这导使GM它比们双在极高 压工作范围处于劣势。
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,是电力电子中重要的高 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。
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。
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。
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