宽禁带半导体电力电子器件课件

与Si器件的优点
效果
器件产生的损耗减少 (导通电阻减至数分之一)
•热导率约为Si的3倍 •绝缘耐压约为Si的7~10倍
可高频工作
周边部件尺寸减小
•电子饱和速度约为Si的2倍以上
可在高温下工作
•带隙约为Si的3倍 •熔点约为Si的2倍
冷却装置尺寸减小 或省去
电力系统中电力损 耗的减少
电力系统的精简
SiC学功习交率流P器PT 件与Si器件相比的优点
肖特基接触、SiO2/SiC界面态、SiC器件的导通、击穿和开关速度等特性的
可靠性研究等。
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二、 研3 究研究内内容容、拟解决的技术难点
拟解决的技术难点：
（1）器件的合理化设计。 （2）SiC的热氧化技术。 可靠性及失效机理研究。SiC材料的欧姆接触，SiO2/SiC界面 态，器件的导通、击穿和开关速度等特性的可靠性研究。② SiC
（JBS） 度介于两者之间
•已有商业化样品。
SiC MOSFET 高速的开关性能、低导通 •2004 年，美国的Cree公司报道阻断电压高达10 kV，比导
单
电阻
通电阻为123 mΩ·cm2的4H-SiC DMOSFET。
极
•已有1200V /10、20 A的商业样品。
型 JFET 开 关
高速的开关性能
•2004年，美国Rutgers大学报道击穿电压为11kV、比导通 电阻为130mΩ·cm2的SiC-JFET器件。 •已有1200V和1800V、15A～30A的商业样品。
SiC BJT
双
极
型 开
IGBT
关
开关速度与MOSFET相 当，驱动电路较 MOSFET器件复杂
适合于中高压等级
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整 PIN器件 耐压高于肖特基器件，开 •2001年，利用结终端延伸技术，日本报道了耐压至 19.5kV
流
关速度低于肖特基器件 的 4H-SiC 的台面型 pin 二极管。
器 结势垒肖 结合了pn结和肖特基结 •2007年美国的Cree公司研制了SiC 10 kV /20 A的结势垒肖
特基器件 构的优点，耐压和开关速 特基二极管。
宽禁带半导体电力电子器件 研究
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主要内容
一、 国内外发展现状与趋势 二、 研究内容、拟解决的技术难点和创新点 三、 研究目标、技术指标 四、 研究方法、技术路线和可行性分析 五、 年度进展安排
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一、 国内外发展现状与趋势
宽禁带半导体材料优越的物理化学特性
特征
Si
禁带宽度(eV)
（2）SiC电力电子器件制备的关键技术研究。
包括SiC材料的欧姆接触、肖特基接触的研究，SiC离子注入及退火技术 研究，SiC表面处理及高性能的氧化层制备技术研究，SiC材料的低损伤刻蚀 技术研究，及其各关键工艺技术的整合等内容。
（3）器件的可靠性及失效机理研究。
包括SiC电力电子器件反向漏电流机理研究，高温下SiC材料的欧姆接触、
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3 研究内容
SiC电力电子器件的主要研究内容：
（1）SiC电力电子器件的器件物理研究。
包括SiC高压二极管及SiC-MOSFET晶体管的材料结构设计，器件的耐压 解析模型的建立，场板、场限环及结终端延伸等终端保护技术在器件上的应 用与设计，完善宽禁带SiC功率器件结构优化设计理论等。
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三、 研究目标、技术指标
研究目标：SiC功率整流器和功率开关的研制
技术指标：
SiC 功率二极管，器件的阻断电压大于4500V，最高 正向导通电流不小于100A，开关频率不少于100kHz； SiC 功率开关最高正向阻断能力不低于4500V，最高 正向导通电流不少于50A，开关频率不少于100kHz； 器件经过高温（200）反偏、温度循环、功率循环、 温度和湿度试验。
12.5 9.72 10
9.66 9.5
0.54 3.2
3.7
4.9
1.3
0.4 2.12 2.2
2.5
2.0
8800 800
1000 400
1000
400 40
115
100
200
1.3 2.2
2
2
2.5
表 1 几种SiC 多型体及其它常见半导体材料的性能比较
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3
一、 国内外发展现状与趋势
•2004年，美国Rutgers大学报道击穿电压为9.2 kV，比导通 电阻为33mΩ·cm2的的SiC BJT器件。 •已有1200V/6、20A的商业样品。
•2007年，Purdu大学研制了阻断电压高达20kV的SiC P-
IGBT。
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一、 国内外发展现状与趋势
电力电子器件的发展趋势：
更大导通电流容量、更高阻断电压及更高功率容量； 低通态电阻和低通态压降； 更快的开关速度和更高的工作频率等方向发展。
1.12
相对介电常数
11.8
热导率(W/K·cm)
1.5
击穿电场(106 V/cm) 0.3
电子迁移率(cm2/s·V) 1500
空穴迁移率(cm2/s·V) 425
最大电子饱和速度
(107cm/s)
0.9
GaAs 3C-SiC 4H-SiC 6H-SiC GaN
1.43 2.4
3.26 3.0
3.4
离子注入以及掺杂离子激活 在碳化硅器件研究中，掺杂注入要求在高温注入之后高温退火激活注入离子。对
于离子注入的最大深度、最高浓度分布状态以及标准偏差分布进行计算，在研究中 采用相应的注入能量、剂量，得到所需要的注入离子分布状态。与硅材料中掺杂离 子基本处于激活态不同，碳化硅材料中的掺杂离子一般条件下只有部分处于激活状 态，并且其激活的比率与多种因素直接相关。在碳化硅材料中的注入离子激活能比 较高，对于同一种离子，随着注入离子浓度、注入能量的不同，离子在不同条件下 激活之后可能产生不同的的深能级，形成不同导电类型的掺杂。因此，离子注入掺 杂激活机理的研究对于实现设计的掺杂目的是必不可少的。
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一、 国内外发展现状与趋势
表2 不同结构的SiC 电力电子器件的特点及研究现状
器件结构 特点
实验室研究最高水平及商业化状况
肖特基器 开关速度快
•2003年，美国Rutgers大学报道了阻断电压超过10kV的4H-
件（SBD）
SiC的肖特基器件，比导通电阻为97.5 mΩ·cm2。
SiC
•已商业化。
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四、 研究方法、技术路线和可行性分析
技术路线：
器件的结 构设计
外延材 料生长
离子注入 退火技术 热氧化技术 欧姆接触 肖特基接触