SiC功率半导体器件的优势及发展前景(刘)(2015)

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(~200º C)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。
逆变器最高效率提升图
未来Si的IGBT有望用SiC功率MOSFET代替，而 Si的ＰiN整流二极管将会被SiC肖特基二极管取代。 另外，由于SiC PN结二极管可以用低寿命的飘移区 实现快恢复，在应用时， SiC功率MOSFET的内部 体二极管可以取代并联的肖特基二极管，它将有利 于简化电路结构。 SiC功率将会带来更好的效益。 随着SiC材料及器件工艺的不断进步， SiC功率器 件的价格必将不断下降，SiC功率器件在电力电子 工业中的推广应用也将是必然的趋势，因此，SiC 功率器件的发展前景是十分美好的。
20年内IGBT将会和目 前的SiC元件具有同样 的性能
一台利用SiC晶体管7kW光伏逆变器的经济效益
能量增益 (每年) 最大再生能 源发电补助 /KWA
0.45EUR
效率提高代 来的增益 (每年)
63EUR
效率提高带 来的增益 (10年)
630EUR
佛莱堡 (德国)
140KWh
阿尔梅亚 (西班牙) 马 赛 (法国)
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（*107 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。 下面就一些SiC典型器件对其优势进行分析:
示例1
三相光伏逆变器
B6-Bridge 750 VDC 7 kW 开关频率：16.6 kHz 功率半导体器件 IGBT 2 (BSM15GD120DN2), IGBT 3 (FS25R12YT3), IGBT 4 (FS25R12W1T4)
SiC-MOSFET (CNM 1009)
三相光伏逆变器效率
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。
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。
采用槽深1µm栅条0.6µm的4H- SiC 3KV MESFET ,其比导通电阻为1.83mΩ-cm2,在栅 压为-4V时电流为1.7x104A/cm2,截止偏压为24V.
采用结深1µm栅条0.6µm的4H- SiC 3KV JFET，其比导通电阻为3.93mΩ-cm2。 这些特性大大优于同类Si器件的特性。
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。
右图给出巴利格复 合结构的输出特性。这 个器件在栅压10V时达 到了很大的饱和电流 (>2x104A/cm2),线性区 的电流密度达到 570A/cm2,具有低到 1.9mΩ-cm2比导通电阻, 其特性非常优良。
4) 平面功率MOSFET
平面功率MOSFET如右图所 示。对于SiMOSFET,当击穿电 压超过200V时, 导通电阻增加。 在高电压时其比导通电阻大于 10-2 Ω-cm2,它导致导通电流密 度为100A/cm2时导通压降大于 1V。尽管改进的结构可以使其 工作在600V以上，但是比导通 电阻仍然很大，从而限制了它 在高频下应用。SiC功率 MOSFET可以克服平面功率 MOSFET的缺点，而安全工作 区又比Si 的IGBT好。
SiC功率半导体器件的优势 及发展前景
中国科学院半导体研究所
刘忠立
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。
3. SiC功率半导体器件的发展前景
由于SiC功率半导体器件在电力电子应用领域具 有节电节能及减小体积方面的巨大优势和应用前景， 由此各国大力投入，竞相研究，并且在器件研究及 应用方面不断地取得领人振奋的成绩。 在发展工业用的SiC功率半导体器件中，首先推 出的是SiC肖特基二极管，2001年Infineon公司推出 300V-600V(16A)的产品，接着Cree公司于2002年 推出600V-1200V(20A)的产品，它们主要用在开关 电源控制及马达控制中，IGBT中的续流二极管也是 它们的重要用途。2004年Cree公司销售该系列产品 达300万美元,此后销售额逐年上升
3) 巴利格复合结构
巴利格复合结构将一只低压功率 MOSFET同一只常导通的SiC MESFET结合起来，构成一个常截 止的高压功率开关。MOSFET的漏 DM同SiC MESFET的源等电位， DB电压上升， DM的电压也上升。 当DM的电压上升到SiC MESFET 的截止电压时， SiC MESFET便 截止，因此当MOSFET的VGB(复合 结构的输入电压）为零时，由于 MOSFET的漏电压钳位在SiC MESFET的截止电压上， SiC MESFET截止，复合结构的高工作 电压主要降在耐高压的SiC MESFET上。当VGB大于MOSFET 的阈值电压时， MOSFET导通， 复合结构也导通，于是高工作电压 的复合结构开关，由低压功率 MOSFET来控制。
右图示出4H-SiC及Si的 平面功率同 MOSFET的比 导通电阻的比较。可以看 出，对容易实现的电子迁 移率µinv=10cm2/V.S， 在 1000V击穿电压时，4HSiC器件的比导通电阻为Si 器件的几十分之一。而当 µinv=100cm2/V.S时，4HSiC器件的比导通电阻比Si 器件的小100倍以上。
示例
最小导通电阻 当今水平（T-MAX):
Si-MOSFET: 560 mΩ SiC-FET: 50 mΩ (6 mΩ) 导 通 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。
5) 槽栅功率MOSFET
槽栅功率MOSFET增 大了器件的沟道密度，同 时消除了寄生JFET的串 联电阻，因而改善了功率 MOSFET的特性。下图示 出4H-SiC槽栅功率 MOSFET同平面功率 MOSFET比导通电阻的比 较，可以看出，在1000V 击穿电压下，槽栅器件的 比导通电阻约改善了10倍。
在军用方面，美国Cree公司受军方资助，已开发 出10kV/50A的SiC PiN整流器件和10kV的SiC MOSFET。下一步他们将要按比例缩小这些器件的 尺寸，以得到10kV/110A的器件模块，并将它们用 于航母的电气升级管理中去。 在欧洲，德国、法国及西班牙将SiC MOSFET用 于太阳能逆变器，获得98.5%的效率,它的普遍推广， 将带来极可观的节能和经济效益。
275KWh
0.44EUR
ຫໍສະໝຸດ Baidu
121EUR
1210EUR
250KWh
0.55EUR
137EUR
1370EUR
示例2
单相HERIC®-逆变器
H4-桥 + HERIC-开关管 350VDC
5 kW
开关频率：16 kHz 功率半导体器件
IGBT: FGL40N120AND
SiC Transistors: MOSFET (CNM 1009), JFET (SJEP120R063) SiC Diodes: C2D20120D
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（IG~100nA数量级）。MOSFET是多子器 件，因而可以在更高的频率下（100KHz以上）实 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。 但是，功率MOSFET的导通电阻rON以至于跨导gm 比双极器件以更快的速率随击穿电压增加而变坏,这 使它们在高压工作范围处于劣势。
单相HERIC-Inverter效率
当MOSFET高温时，采 用MOSFET和JFETs 的 效率相等 测量结果包括辅助 源的损耗
效率与温度的关系(HERIC®-逆变器)
最高效率和温度无关 更小的散热装置 损耗减半 散热装置温度可以更高
效率与电压关系(HERIC®-逆变器)
SiC晶体管最高效 率与直流电压关系 不大 可以用于宽范 围的输入电压
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。
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。