新型功率半導(dǎo)體SiC器件技術(shù)綜述

新型功率半導(dǎo)體SiC器件技術(shù)綜述與傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體相比，碳化硅（SiC）及氮化鎵（GaN）等新一代功率半導(dǎo)體具有高頻、損耗較小的特點，其應(yīng)用有助于開發(fā)新一代高效率、高開關(guān)頻率、高結(jié)溫、高功率密度的電力電子變流器。本文講述了傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體發(fā)展以及特性，詳細(xì)介紹了碳化硅（SiC））的材料特性與發(fā)展，以及新型功率半導(dǎo)體在新能源汽車，軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用。標(biāo)簽：碳化硅；碳化硅MOSFET；功率半導(dǎo)體AbstractComparedwiththetraditionalpowersemiconductors，siliconcarbide（SiC）andgalliumnitride（GaN）suchasanewgenerationofpowersemiconductorshasthecharacteristicsofhighworkingfrequency，itsapplicationwillhelptodevelopanewgenerationofhighefficiency，highswitchingfrequency，highjunctiontemperature，highpowerdensityofthepowerelectronicsconverter.Inthispaper，thedevelopmentandcharacteristicsoftraditionalpowersemiconductorsaredescribed，andthenthematerialpropertiesanddevelopmentofsiliconcarbine（SiC）andtheapplicationofnewpowersemiconductorsareintroducedindetail.Finally，theapplicationofthenewpowerdevicesinelectricvehicle，railtransportationisintroduced.keywords：Siliconcarbide（SiC），SiliconcarbideMOSFET，powerdevice1引言功率半導(dǎo)體器件（PowerSemiconductorDevice），也可以叫做電力半導(dǎo)體器件，或者電力電子器件，屬于電力電子技術(shù)的范疇。一個理想的功率半導(dǎo)體器件，應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動態(tài)特性：在阻斷狀態(tài)，能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)，具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降；在開關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)換時，具有短的開、關(guān)時間，能承受高di/dt和du/dt，具有低的開關(guān)損耗，并具有全控功能。為了實現(xiàn)高效率的能源傳輸與利用，高性能功率元件在能源轉(zhuǎn)換中扮演著重要角色。傳統(tǒng)硅基（Si-based）材料由于無法提供較低導(dǎo)通電阻，因而在電力傳輸或轉(zhuǎn)換時導(dǎo)致大量能量損耗。碳化硅器件則由于具備高導(dǎo)熱特性，加上材料具有寬能隙特性而能耐高壓與承受大電流，更符合高溫作業(yè)應(yīng)用與高能效利用的要求，在近期持續(xù)受到熱切關(guān)注。相較于碳化硅已發(fā)展十多年了，氮化鎵功率元件則才剛進(jìn)入市場，它是一種擁有類似于碳化硅性能優(yōu)勢的寬能隙材料，但擁有更大的成本控制潛力。近年來現(xiàn)代硅基功率半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展和成熟，促使各種新型大功率電力電子裝置成功地應(yīng)用于各種工業(yè)電源、電機驅(qū)動、電力牽引、電能質(zhì)量控制、可再生能源發(fā)電、分布式發(fā)電、國防和前沿科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。2新型功率寬禁帶SiC半導(dǎo)體器件的特點硅基功率器件已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)成熟的地步。為了進(jìn)一步滿足人們對高頻、高溫、高功率密度等具有理想特性功率器件的需求，功率器件的研究工作越來越多地轉(zhuǎn)向了新型半導(dǎo)體材料的功率器件[3]。在眾多半導(dǎo)體材料中，以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶材料功率器件成為人們研究關(guān)注的焦點。寬禁帶半導(dǎo)體材料以其較寬的禁帶寬度、較高的飽和電子漂移速度、較高的擊穿電場強度以及較低的介電常數(shù)等優(yōu)點，決定了GaN和SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料更適合應(yīng)用在高頻、高功率等條件較為惡劣的場合。寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展必將給電力電子器件的發(fā)展帶來又一次革命。正是由于碳化硅功率器件的顯著優(yōu)點，其發(fā)展十分迅速，目前國際上許多公司、大學(xué)和研究實驗室正在致力于SiC功率器件的研究，在整流、雙極型晶體管及MOSFET的多種功率開關(guān)器件方面取得了令人矚目的進(jìn)展。人們越來越重視SiC在一些電路上的應(yīng)用，市場上也有了基于SiC器件的模塊電路。對于碳化硅功率器件的研究主要集中在其動態(tài)特性與靜態(tài)特性。并且一些基于碳化硅材料的肖特基二極管和MOSFET已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)并在實際電路中得到應(yīng)用。表1-1給出了SiC材料與Si材料的物理參數(shù)，并分別從禁帶寬度、臨界擊穿電場強度、介電常數(shù)以及熱導(dǎo)率等方面對其進(jìn)行對比。（1）SiC的禁帶寬度是Si材料的三倍，因此碳化硅器件的泄漏電流比硅器件要少幾個數(shù)量級，所以碳化硅的高功率器件的功率損耗較?。唬?）SiC的熱導(dǎo)率約為Si材料的三倍，這使得SiC器件更容易散熱，從而減少了電路系統(tǒng)對散熱設(shè)備的依賴，降低電路系統(tǒng)的體積，提高了SiC集成電路的集成度；（3）SiC的電子飽和漂移速度是Si的兩倍，這使得SiC高功率器件與Si功率器件相比具有較低的導(dǎo)通電阻，從而大大降低了功率器件的導(dǎo)通損耗。（4）SiC的臨界擊穿電場是Si的十倍，使SiC電力器件具有更高的耐壓和耐流，更適合應(yīng)用在高壓大功率等極端環(huán)境領(lǐng)域。根據(jù)以上分析的SiC材料的這些優(yōu)良特性，可以看出，在同等耐壓條件下，SiC功率器件具有更快的開關(guān)速度，更小的導(dǎo)通電阻以及開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。因此，SiC材料在物理特性上的優(yōu)勢，使其更適合應(yīng)用在高溫、高頻以及大功率器件和抗輻射器件的場合。3碳化硅功率器件3.1SiC功率二極管SiC功率二極管有三種類型：肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode，SBD）、PiN二極管和結(jié)勢壘肖特基二極管（JunctionBarrierSchottky，JBS）。其截面圖如圖1所示。肖特基二極管開關(guān)速度快、導(dǎo)通壓降低，但阻斷電壓偏低、漏電流較大；PiN二極管阻斷電壓高、漏電流小，但工作過程中反向恢復(fù)嚴(yán)重，JBS二極管結(jié)合了肖特基二極管所擁有的出色的開關(guān)特性和PiN結(jié)二極管所擁有的低漏電流的特點。把JBS二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝稍作調(diào)整就可以形成混合PiN-肖特基結(jié)二極管（MergedPiNSchotty，MPS）。與Si二極管相比，SiCSBD的顯著優(yōu)點是阻斷電壓提高，幾乎無反向恢復(fù)以及更好的熱穩(wěn)定性。圖2給出了Si快恢復(fù)二極管和SiC肖特基二極管的反向恢復(fù)過程對比?？梢奡iC肖特基二極管幾乎無反向恢復(fù)，且反向恢復(fù)特性不受溫度的影響。3.2SiC單極型器件（1）SiCMOSFET：功率MOSFET具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性。在Si基器件中，功率MOSFET獲得巨大成功。SiC功率MOSFET面臨的兩個主要挑戰(zhàn)是柵氧層的長期可靠性問題和溝道電阻問題。正是因為SiMOSFET的優(yōu)越特性，SiCMOSFET成為SiC電力電子器件中最受關(guān)注的器件。2010年，美國的PowerEx公司推出了兩款SiCMOSFET功率模塊（1200V/100A），具有很高的功率密度。隨后，羅姆公司在2012年推出了如圖1-2（a）所示的SiCMOSFET功率模塊，其功率定額高達(dá)1200V/180A。CREE公司在2014年推出了如圖1-2（b）所示的SiCMOSFET功率模塊，相比羅姆公司的功率模塊，其功率定額高達(dá)1200V/300A，該功率模塊內(nèi)部采用多個SiCMOSFET并聯(lián)進(jìn)行功率擴容，配置為半橋電路結(jié)構(gòu)，采用SiCSBD作為反并聯(lián)二極管，模塊的開關(guān)頻率能夠達(dá)到100kHz以上，滿足了較大功率場合的應(yīng)用要求。（2）SiCJFET。SiCJFET是碳化硅結(jié)型場效應(yīng)管，具有導(dǎo)通電阻低、開關(guān)速度快、耐高溫及熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點，具有常開和常閉兩種類型。圖4給出兩類SiCJFET的截面圖。常開型SiCJFET在沒有驅(qū)動信號時處于導(dǎo)通狀態(tài)，容易造成橋臂的直通危險，降低了功率電路的安全可靠性。對此，Semisouth公司推出了常閉型SiCJFET，但這種器件的柵極開啟電壓閾值太低（典型值為1V），在實際應(yīng)用中容易產(chǎn)生誤導(dǎo)通現(xiàn)象。3.3SiCIGBTSiCMOSFET的通態(tài)電阻隨著阻斷電壓的上升而迅速增加。在高壓領(lǐng)域，SiCIGBT將具有明顯的優(yōu)勢。由于受到工藝技術(shù)的限制，SiCIGBT的起步較晚，高壓SiCIGBT面臨兩個挑戰(zhàn)：第一個挑戰(zhàn)與SiCMOSFET器件相同，溝道缺陷導(dǎo)致的可靠性以及低電子遷移率問題；第二個挑戰(zhàn)是N型IGBT需要P型襯底，而P型襯底的電阻率比N型襯底的電阻率高50倍。圖5對15kV的N-IGBT和MOSFET的正向?qū)芰ψ隽藢Ρ确治觯Y(jié)果表明：在結(jié)溫為300K時，在芯片功耗密度為200W/cm2以下的條件下，MOSFET可以獲得更大的電流密度，而在更高的功耗密度條件下，IGBT可以獲得更大的電流密度。但是在結(jié)溫為400K時，IGBT在功耗密度為50W/cm2以上的條件下就能夠?qū)ū萂OSFET更高的電流密度。4SiC功率器件的應(yīng)用SiC（碳化硅）與Si器件相比存在三方面優(yōu)勢：更高的擊穿電壓強度；更低的損耗；更高的熱導(dǎo)率。這些特性意味著SiC器件可以用在高電壓、高開關(guān)頻率、高功率密度的場合。在新能源汽車中的應(yīng)用隨著SiC模塊功率制造水平的提高，SiC將會是越來越適合電動汽車驅(qū)動器的半導(dǎo)體器件，采用SiC器件是實現(xiàn)電動汽車驅(qū)動器高功率密度的有效手段。目前，將SiC功率模塊應(yīng)用于電機驅(qū)動逆變器的研究越來越多，豐田汽車公司已經(jīng)在混合動力車上應(yīng)用了SiC功率模塊，如圖6所示。目前Si逆變器的常用開關(guān)頻率為5-10kHz，系統(tǒng)會產(chǎn)生5-20kHz的開關(guān)噪聲，該噪聲在人耳可以聽到的頻率范圍內(nèi)，易使人產(chǎn)生不舒適感。而使用SiC器件后，通過提高開關(guān)頻率到40kHz，可以使得系統(tǒng)產(chǎn)生的開關(guān)噪聲頻率超過人耳可以聽到的頻率范圍。與此同時，開關(guān)頻率提升后有利于降低電流控制諧波，從而降低電磁噪聲，提高整車的行駛體驗。（2）在軌道交通中的應(yīng)用三菱公司基于在機車牽引等應(yīng)用領(lǐng)域中對碳化硅器件多年的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗，開發(fā)出全新的全碳化硅2單元MOSFET模塊FMF750DC-66A，其額定電壓為3.3kV，額定電流為750A，特別適用于高性能牽引變流器和柔性變換器的設(shè)計。其應(yīng)用案例是直流母線電壓1500V且開關(guān)頻率為750Hz的牽引變流器，圖7（a）描述了采用FMF750DC-66A替換CM600DA-66X（SiIGBT）后所帶來的能耗改善，特別是在車輛部分負(fù)載條件下，節(jié)能潛力巨大。當(dāng)輸出電流在400A以下時，全碳化硅器件的半導(dǎo)體功耗可以降低50%～80%（在相同的器件尺寸下），而在部分負(fù)載下時，運行功耗可以進(jìn)一步降低。此外，由于FMF750DC-66A的效率更高，可運行結(jié)溫更高，整流模式運行時的最大功率也會增加。由于整流模式用于車輛減速時的能量回收，所以會有更多的能量被回收并反饋回電網(wǎng)，這同樣降低了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)上的壓力。5總結(jié)半導(dǎo)體材料的進(jìn)步在產(chǎn)業(yè)革新以及技術(shù)創(chuàng)新中扮演了重要的角色，對人類的社會生活有著極其重要的影響。碳化硅（SiC）作為一種寬禁帶材料，具有高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點，可以實現(xiàn)高壓、大功率、高頻、高溫應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器件。新型功率半導(dǎo)體已經(jīng)成為功率半導(dǎo)體的主流發(fā)展方向，市場應(yīng)用前景十分廣闊。參考文獻(xiàn)：[1]季建平.SiC和GaN功率半導(dǎo)體競爭激烈[J].半導(dǎo)體信息，2014（01）：32-33.[2]盛況，郭清，張軍明，錢照明.碳化硅電力電子器件在電力系統(tǒng)的應(yīng)用展望[J].中國電機工程學(xué)報，2012，32（30）：1-7.[3]梁美，鄭瓊林，可翀，李艷，游小杰.SiCMOSFET、SiCoolMOS和IGBT的特性對比及其在DAB變換器中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30（12）：41-50.[4]孫凱，陸玨晶，吳紅飛，邢巖，黃立培.碳化硅MOSFET的變溫度參數(shù)建模[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33（03）：37-43.[5]Jr-TaiChen，JamesW.Pomeroy，NiklasRorsman，ChaoXia，ChariyaVirojanadara，UrbanForsberg，MartinKuball，ErikJanzén.LowthermalresistanceofaGaN-on-SiCtransistorstructurewithimprovedstructuralpropertiesattheinterface[J].JournalofCrystalGrowth，2015，428.[6]Joannawirko，Robertwirko，JanuszMikoajczyk.ComparativeTestsofTemperatureEffectsonthePerformanceofGaNandSiCPhotodiodes[J].MetrologyandMeasurementSystems，2015，22（1）.[7]張乃千.一種用于電力電子領(lǐng)域的新型功率器件：氮化鎵高電子遷移率晶體管[A].中國電工技術(shù)學(xué)會.2008中國電工技術(shù)學(xué)會電力電子學(xué)會第十一屆學(xué)術(shù)年會論文摘要集[C].中國電工技術(shù)學(xué)會：，2008：1.[8]M.Esmaeili，M.Gholami，H.Haratizadeh，B.Monemar，P.Holtz，S.Kamiyama，H.Amano，I.Akasaki.ExperimentalandtheoreticalinvestigationsofopticalpropertiesofGaN/AlGaNMQWnanostructures.Impactofbuilt-inpolarizationfields[J].Opto-ElectronicsReview，2009，17（4）.[9]YoshitakaUmeno，AtsushiKubo，ShijoNagao.DensityfunctionaltheorycalculationofidealstrengthofSiCandGaN：Effectofmulti-axialstress[J].