关于碳化硅功率器件的调研

关于碳化硅功率器件的调研

前言

以硅器件为基础的电力电子技术，因大功率场效应晶体管(功率MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等新型电力电子器件的全面应用而日臻成熟。目前,这些器件的开关性能己随其结构设计和制造工艺的相当完善而接近其由材料特性决定的理论极限,依靠硅器件继续完善和提高电力电子装置与系统性能的潜力已十分有限。

首先,硅低的击穿电场意味着在高压工作时需要采用厚的轻掺杂层,这将引起较大的串联电阻,特别是对单极器件尤其如此。为了减少正向压降,电流密度必须保持在很低的值,因此硅器件的大电流是通过增加硅片面积来实现的。在一定的阻断电压下,正向压降由于载流子在轻掺杂区的存储而降低,这种效应称为结高注入的串联电阻调制效应。然而存储电荷的存储和复合需要时间,从而降低了器件的开关速度,增加了瞬态功率损耗。硅器件由于小的禁带宽度而使在较低的温度下就有较高的本征载流子浓度,高的漏电流会造成热击穿,这限制了器件在高温环境和大功率耗散条件下工作。其它限制是硅的热导率较低。

于是,依靠新材料满足新一代电力电子装置与系统对器件性能的更高要求,早在世纪交替之前就在电力电子学界与技术界形成共识,对碳化硅电力电子器件的研究与开发也随之形成热点。

1 碳化硅材料

以SiC,GaN为代表的宽禁带半导体材料，是继以硅和砷化镓为代表的第一代&第二代半导体材料之后迅速发展起来的新型半导体材料。表1列出了不同半导体材料的特性对比。从表中可以看出，碳化硅作为一种宽禁带半导体材料，不但击穿电场强度高，还具有电子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制作各种耐高温的高频大功率器件。SiC由碳原子和硅原子组成,其晶体结构具有同质多型体的特点，在半导体领域最常用的是4H-SiC和6H-SiC两种。

表1 不同半导体材料的特性对比

碳化硅材料的优异性能使得SiC电力电子器件与Si器件相比具有以下突出的性能优势：

⑴SiC电力电子器件具有更低的导通电阻。在击穿电压较低（约50V）时，SiC功率器件的比导通电阻仅有1.12u欧，是Si同类器件的约1/100。在击穿电压较高（约5kV）时，比导通电阻增大到29.5m欧，却是Si同类器件的约1/300。

⑵SiC电力电子器件具有更高的击穿电压。这是因为碳化硅器件的击穿电场高。

⑶SiC电力电子器件的工作频率更高。SiC的饱和电子漂移速率更快，是Si 的2倍。因而SiC电力电子器件的开关速度更快，开关损耗更低，在中大功率应用场合，有望实现Si功率器件难以达到的更高开关频率（>=20kHz）。

⑷SiC电力电子器件具有更低的结-壳热阻。由于SiC的热导率是Si的3倍以上，因而制成的电力电子器件的散热性更好，器件的温度上升更慢。

⑸SiC电力电子器件能够在更高的温度下工作。SiC的禁带宽度是Si的2倍以上，SiC电力电子器件的极限工作温度有望达到600摄氏度以上，远高于Si 器件的115摄氏度，从而器件的冷却系统可大为简化。

⑹SiC电力电子器件抗辐射能力极强。辐射不会导致SiC的电气性能出现明显的衰减，因而在航空领域应用基于SiC电力电子器件的功率变换器可以减轻辐射屏蔽设备的重量，提高了系统的性能。

尽管与Si功率器件相比，SiC电力电子器件具有诸多优势，但目前仍存在不少限制其广泛应用的不利因素，主要有：

⑴产量低，成本高。由于SiC存在微管缺陷，难以生产尺寸较大的SiC晶圆，因而SiC晶圆的成本较高，相应地SiC电力电子器件的价格也远高于Si功率器件。

⑵器件类型和规格有限。目前，成功实现商业化的SiC功率器件包括SBD、BJT、JFET和MOSFET，且这些器件的功率处理能力较小，型号较少。而广泛应用于大功率场合的IGBT和GTO等器件尚处于实验室开发和测试阶段。

⑶缺乏高温封装技术。尽管采用SiC材料制造的管芯能够承受很高的工作温度，但目前的封装技术主要针对Si功率器件，大多低于175摄氏度。封装外壳的工作温度限制了SiC功率器件高温性能的发挥。

2 碳化硅功率二极管

在碳化硅电力电子器件中，碳化硅功率二极管最早实现产业化。一般可分为肖特基二极管(Schottky barrier diode, SBD)、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管(junction barrier Schottky, JBS)三种。在5kV阻断电压以下的范围,碳化硅SBD 具有一定的优势,而对于PiN结二极管,由于其内部的电导调制作用而呈现出较低的导通电阻,使得它更适合制备4~5kV或者以上电压等级的器件。JBS 二极管则结合了肖特基二极管所拥有的出色的开关特性和PiN结二极管所拥有的低漏电流的特点。另外,把JBS二极管结构参数和制造工艺稍作调整就可以形成混合PiN-肖特基结二极管(merged PiN Schottky, MPS)。

碳化硅SBD是最早商业化的碳化硅器件。做为单子器件,它的工作过程中没有电荷储存,因此它的反向恢复电流仅由它的耗尽层结电容造成,其反向恢复电荷以及其反向恢复损耗比Si超快恢复二极管要低一到两个数量级。更重要的是,和它匹配的开关管的开通损耗也可以得到大幅度减少,因此可以提高电路的开关频率。另外,它几乎没有正向恢复电压,因而能够立即导通,不存在双极型器件的开通延时现象。在常温下,其正态导通压降和Si超快恢复器件基本相同,但是由于SiC 肖特基二极管的导通电阻具有正温度系数,这将有利于将多个SiC肖特基二极管并联。在二极管单芯片面积和电流受限的情况下,这可以大幅度提高SiC肖特基

二极管的容量,使它在较大容量中的应用成为可能。器件极大地简化了电路中原有的为了抑制开关损耗和保证安全工作的软开关电路等额外元器件。单极型的器件工作特性给它在高频电力电子电路中的应用提供了巨大的优势,被认为是理想的二极管器件,在高频电力电子领域得到了广泛的应用。

由于SiC开关管的发展相对二极管滞后,当前更普遍的做法是将SiC 二极管与Si基IGBT和MOSFET器件封装在一个模块中以形成大功率开关组合。目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司的SiC肖特基二极管用于变频或逆变装置中替换硅基快恢复二极管,显著提高了工作频率和整机效率。中低压SiC肖特基二极管目前已经在高端通讯开关电源、光伏并网逆变器领域上产生较大的影响。

SiC肖特基二极管的发展方向是衬底减薄技术和Trench JBS结构。衬底减薄技术能够有效地减小低压SiC肖特基二极管的导通电阻,增强器件浪涌电流能力，减少器件热阻。同时采用Trench JBS结构和衬底减薄技术,与传统的JBS 二极管相比,正反向特性都得到了改善,不仅增加了电流密度(芯片面积减小50%);也提高了阻断电压(提高150V)和雪崩能力。目前国内已经展开了高压碳化硅二极管的研究，但关于二极管并联模块化的研究较少。

3碳化硅JFET

碳化硅JFET有着高输人阻抗、低噪声和线性度好等特点,是目前发展较快的碳化硅器件之一,并且率先实现了商业化。与MOSFET器件相比,JFET器件不存在栅氧层缺陷造成的可靠性问题和载流子迁移率过低的限制,同时单极性工作特性使其保持了良好的高频工作能力。另外,JFET器件具有更佳的高温工作稳定性和可靠性。碳化硅JFET器件的门极结型结构使得通常JFET的阈值电压大多为负,即常通型器件,这对于电力电子的应用极为不利,无法与目前通用的驱动电路兼容。美国Semisouth公司和Rutgers大学通过引人沟槽注人式或者台面沟槽结构(TI VJFET)的器件工艺,开发出常断工作状态的增强型器件。但是增强型器件往往是在牺牲一定的正向导通电阻特性的情况下形成的,因此常通型(耗尽型)JFET 更容易实现更高功率密度和电流能力,且耗尽型JFET器件可以通过级联的方法实现常断型工作状态。级联的方法是通过串联一个低压的Si基MOSFET来组成一个开关单元，通过控制Si MOSFET 的开关来控制开关单元的开关。级联后的JFET器件的驱动电路与通用的硅基器件驱动电路自然兼容。级联的结构非常适用于在高压高功率场合替代原有的硅IGBT器件,并且直接回避了驱动电路的兼容问题。这种方式，在控制上方便，但增加了MOSFET 的通态损耗与反向恢复特性引起开关损耗的增加，另外，器件中增加的寄生参数引起器件受电压，电流变化率影响变大，限制了SiC 器件高温、高频率性能的发挥。还有一种方式是采用一个高速的电平逻辑转换电路把控制信号电平转换为SiC JFET开关所需要的正（零）电位与负电位。这种方法只需要提供负的驱动电源，对SiC JFET器件本身没有影响，但由于关断负电压过低，对驱动电路的隔离与高速响应有一定的要求。SiC JFET的应用中存在的另一个问题是，由SiC 器件工作时的驱动电压及器件本身的特性参数导致的SiC 器件易产生开关震荡以及由dv/dt 引起的驱动电压变化及开关电流尖峰比硅MOSFET 大得多，这个问题制约着SiC JFET 应用电路中的开关速度的提高。

目前业界对碳化硅JFET研究的热点集中在JFET器件的驱动电路设计和并联模块化等方面。

4 碳化硅MOSFET