碳化硅在大功率电力电子器件中的应用

碳化硅在大功率电力电子器件中的应用

摘要：功率半导体器件是电力电子技术的关键元件。与传统的硅功率器件相比，碳化硅功率器件能够承受更高的电压，具有更低的寄生参数（寄生电容、电阻和电感），更小的器件尺寸和更短的响应时间。开关速度的提高不但可以降低系统功率损耗，而且能够允许使用更小的变压器和电容器，大大减小了系统的整体尺寸和质量。而且，碳化硅的耐高温特性大大降低了系统的散热设计，允许使用更小的散热片及风扇，降低散热器体积及功率损耗。因此，碳化硅器件有望从本质上提高电力电子功率转换设备的效率和功率密度。本文对碳化硅材料特性做简单的介绍，进而深刻了解碳化硅器件的物理和电气特性，并对碳化硅在电力电子主要功率器件器件二极管、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT的电气特性和初步应用等问题进行探讨。

关键词：电力电子器件，碳化硅，二极管，MOSFET，GTO，IGBT，IGCT

0引言

碳化硅(SiC)的优异特性随绿色经济的兴起而兴起。在提高电力利用效率中起关键作用的是电力电子功率器件。如今降低功率器件的能耗已成为全球性的重要课题。同时，借助于微电子技术的发展，以硅器件为基础电力电子功率器件MOSFET及IGBT等的开关性能已随其结构设计和制造工艺的完善而接近其由材料特性决定理论极限，依靠硅器件继续完善提高和电力电子电子装置与系统性能的潜力已十分有限。

在这种情况下，碳化硅器件受到人们青睐。碳化硅器件耐高温(工作温度和环境温度)、抗辐射、具有较高的击穿电压和工作频率，适于在恶劣条件下工作。与传统的硅器件相比，日前已实用的SiC器件可将功耗降低一半，由此将大大减少设备的发热量，从而可大幅度降低电力功率变换器的体积和重量。但由于其制备工艺难度大，器件成品率低，因而价格较高，影响了其普通应用。近几年来，实用化和商品化的碳化硅肖特基势垒功率二极管，以其优良特性证实了半导体碳化硅在改善电力电子器件特性方面巨大的潜在优势。最近，Cree公司报道了耐压近2000V、电流大于100A、工作温度高于200℃的晶闸管[1]。这一报道被视为大功率碳化硅电力电了器件发展的一个里程碑，为将来碳化硅功率器件的广泛应用奠定了基础。

1碳化硅的特性分析

就电力电子器件而言，硅材料并不是最理想的材料，比较理想的材料应当是，临界雪崩击穿电场强度、载流子饱和漂移速率和热导率都比较高的宽禁带半导体材料，比较典型的有砷化镓、碳化硅等。特别是碳化硅肖特基二极管在本世纪初投放市场并获得良好的实际应用效果后，进一步增强了人们大力发展碳化硅电力电子器件的信心。表l概括了碳化硅材料的主要物理参数。

表1 SiC与Si材料相比主要物理参数

注：以4H-SiC的值为例。

迄今为止观察到的碳化硅同质异晶形态就有百余种之多多[2]，但主要的同素异构体为3C-SiC、4H-SiC及6H-SiC几种。6H-SiC与4H-SiC禁带宽度分别为3.0eV、3.25eV，相应本征温度可达到800℃以上。即使是禁带宽度最窄的3C-SiC，其禁带宽度也达到了2.3eV左右。目前，商用的碳化件嚣件多为4H-SiC。用碳化硅做成器件，其工作温度有可能超过600℃[3]，而其电学特性不会受到太大的影响。功率开关器件反向电压承受能力与漂移区(单极器件)或基区(双极器件)的长度和电阻率有关，而单极功率开关器件的通态电阻有直接决定于漂移区长度和电阻率，与制造材料击穿电厂强度的立方成反比[4]。使用击穿电场强度高的材料制作高压功率开关，其电阻率不必选择太高，器件漂移区或基区长度不必太长。热导率高则使碳化硅器件可以在高温下长期稳定工作。此外，碳化硅目前唯一可以使用热氧化法生成高品质本体氧化物化合物半导体。这使其可以像硅一样用来制造MOSFET和IGBT这样含有MOS结构的器件[5]。碳化硅器件有很好的反向特性。如图1所示[6]，与Si器件相比，SiC二极管具有很小的反向恢复电流和极端的反向恢复时间。在较低的击穿电压（~50V）情况下，单极SiC器件的通态电阻小于硅器件的1/100，在较高的击穿电压（~5000V）的条件下，单极SiC器件的通态电阻小于硅器件的1/300[7]。如图2所示，SiC器件具有较小的通态电阻，因此具有较小的通态损耗和更高的效率。

图1 典型的硅二极管和碳化硅二械管反向恢复特性对比（2A/格）

图2 MOSFET的通态电阻和通态损耗岁温度变化曲线

2SiC电力电子器件的发展

随着大硅片上市，以及高品质6H-SiC和4H-SiC外延层生长技术紧随其后的成功应用，各种硅功率器件演技与和开发随即蓬勃发展起来。目前，各种功率器件都已证实可以改用碳化硅来制造。尽管产量、成本以及可靠性问题仍对其商品化有所限制，但碳化硅器件代替硅器件的过程已经开始。现在，在电力电子系统中主要应用二极管、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT都已经有对应的碳化硅产品。

2.1碳化硅二极管

碳化硅pn结二极管通常用液相外延法或气相外延法制成p+n-n结构，分平面型和台面型。由于pn结之问的高阻n层，也常称为pin二极管。目前，接近20kV碳化硅pin二极管已见报道。口本Sugawara研究室采用JTE(JunctionTerminationExtension)终端技术[8]，用4H-SiC做出了12kV和19kV台面型pin二极管。2006年，Cree公司公布了180A/4500V的4H.SiC PIN--极管，其芯片尺寸为13.6mm×13.6mm，通态压降为3.17V。

目前，对大功率碳化硅肖特基势垒二极管研究开发已达到小面积(直径0.5mm以下)器件反向阻断电压超过4000V，大面积(直径超过1mm)器件也能达到1000V左右水平。例如，200l年中已有140A/800V的4H-SiC JBs报导[9]。同年另一报导中，反向电流密度高达1200V的4H-SiC肖特基势垒二极管己做到直径3mm，其正向电流密度高达300A·cm2，向相应的正向压降2V[10]。2008年，Rohm公司公布了300A/660V的4H-SiC肖特基二极管，其芯片尺寸为

10mm×10mm，通态压降为1.5V。

2.2碳化硅MOSFET

碳化硅功率MOSFET结构上与硅功率MOSFET没有太大区别。2000年已有用4H-SiC实现阻断电压2000V以上，最高可达7000V的MOSFET的报导，其通态比电阻要比硅MOSFET 低250倍[11]。就应用要求而言，电力电子器件除了要尽可能降低静态和动态损耗外，还要有尽可能高的承受浪涌电流(电流在数十毫秒的瞬间数倍于稳态值)的能力。由于浪涌电流会引起器件结温的骤然升高，通态比电阻偏高的器件，其浪涌电流承受力注定非常低。由于单极功率器件的通态比电阻随其阻断电压的提高而迅速增大，硅功率MOSFET只在电压等级不超过

l00V时才具有较好的性价比。尽管硅IGBT在这方面有很大改进，但其开关速度比功率MOSFET低，不能满足高频应用的需要。理论分析表明，用6H-SiC和4H-SiC制造功率MOSFET，其通态电阻可以比同等级的硅功率MOSFET分别低100倍和2000倍[12]。2006年，Cree公司公布了5A/10kV的4H-SiC MOSFET，其通态压降为3.76V。

2.3碳化硅GTO

与硅晶闸管类似，作成pnpn结构，即构成碳化硅晶闸管。这种器件兼顾丌关频率、功率处置能力和高温特性方面最能发挥碳化硅材料特长。与硅晶闸管相比，对3000V以上阻断电压，其通态电流密度可以高出几个数量级，特别适合于交流开关方面应用。直流丌关方面应用，则是碳化硅硅晶闸管之所长。

当前对阻断压4500V以上GTO需求量很大，最近对碳化硅电力晶体管研发活动开始向GTO集中。2000年已有阻断电压高达3l00V，50℃下关断增益仍高达41的4H-SiC GTO报道[13]。与传统的Si GTO相比，SiC GTO可以在高温下工作，具有更快的开关响速度和更高的阻断能力。主要因为SiC材料具有较宽的禁带宽度、高的临界电场、高的热传导率。尽管SiC器件中载流子的寿命比Si器件中低15倍，但仍可在器件的漂移区产牛充分的电导调制。而且，