1、SiC功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢及發(fā)展前景,中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 劉忠立,報告內(nèi)容,1. Si功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程及限制 2. SiC功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢 3. SiC功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展前景,1. Si功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程及限制,Si功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展經(jīng)歷了如下三代: 第一代-Si雙極晶體管(BJT )、晶閘管（SCR）及其派生器件。 功率晶閘管用來實現(xiàn)大容量的電流控制，在低頻相位控制領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。但是,由于這類器件的工作頻率受到dV/dt、di/dt的限制，目前主要用在對柵關(guān)斷速度要求較低的場合（在KHz范圍）。 在較高的工作頻率，一般采用功率雙極結(jié)晶體管，但是對以大功率為應(yīng)

2、用目標(biāo)的BJT，即使采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，在正向?qū)ê蛷娖刃詵抨P(guān)斷過程中，電流增益值一般也只能做到10，結(jié)果器件需要相當(dāng)大的基極驅(qū)動電流。此外，BJT的工作電流密度也相對較低（50 A/cm2），器件的并聯(lián)使用困難，同時其安全工作區(qū)（SOA）受到負(fù)阻引起的二次擊穿的限制。,第二代-功率MOSFET。 MOSFET具有極高的輸入阻抗，因此器件的柵控電流極?。↖G100nA數(shù)量級）。MOSFET是多子器件，因而可以在更高的頻率下（100KHz以上）實現(xiàn)開關(guān)工作，同時MOSFET具有比雙極器件寬得多的安全工作區(qū)。正是因為這些優(yōu)點，使功率MSOFET從80年代初期開始得到迅速發(fā)展，已形成大量產(chǎn)品，并在實際中

3、得到廣泛的應(yīng)用。 但是，功率MOSFET的導(dǎo)通電阻rON以至于跨導(dǎo)gm比雙極器件以更快的速率隨擊穿電壓增加而變壞,這使它們在高壓工作范圍處于劣勢。,第三代-絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。 它是一種包括MOSFET以及雙極晶體管的復(fù)合功率半導(dǎo)體器件,兼有功率MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點。自1982年由美國GE公司提出以來，發(fā)展十分迅速。 商用的高壓大電流IGBT器件仍在發(fā)展中，盡關(guān)德國的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實際應(yīng)用,但其電壓和電流容量還不能完全滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求，特別是在高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓達(dá)到10KV以上,目前只能通過

4、IGBT串聯(lián)等技術(shù)來實現(xiàn)。,如上所述, 盡管Si功率半導(dǎo)體器件經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展取得了令人矚目的成績,但是由于Si材料存在難以克服的缺點,它們使Si功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展受到極大的限制。首先, Si的較低的臨界擊穿場強Ec,限制了器件的最高工作電壓以及導(dǎo)通電阻,受限制的導(dǎo)通電阻使Si功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)損耗難以達(dá)到理想狀態(tài)。Si較小的禁帶寬度Eg及較低的熱導(dǎo)率,限制了器件的最高工作溫度(200C)及最大功率。為了滿足不斷發(fā)展的電力電子工業(yè)的需求,以及更好地適應(yīng)節(jié)能節(jié)電的大政方針,顯然需要發(fā)展新半導(dǎo)體材料的功率器件。,2. SiC功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢,SiC是一種具有優(yōu)異性能的第三代半導(dǎo)體材料,與

5、第一、二代半導(dǎo)體材料Si和GaAs相比，SiC材料及器件具有以下優(yōu)勢： 1) SiC的禁帶寬度大（是Si的3倍，GaAs的2倍）, 本征溫度高,由此SiC功率半導(dǎo)體器件的工作溫度可以高達(dá)600C。,2) SiC的擊穿場強高（是Si的10倍, GaAs的7倍）, SiC功率半導(dǎo)體器件的最高工作電壓比Si的同類器件高得多; 由于功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通電阻同材料擊穿電場的立方成反比,因此SiC功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通電阻比Si的同類器件的導(dǎo)通電阻低得多,結(jié)果SiC功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)損耗便小得多。,最小導(dǎo)通電阻,當(dāng)今水平（T-MAX):,Si-MOSFET: 560 m,SiC-FET: 50 m (6

6、m),理論極限（T-MAX):,Si-MOSFET: 400 m,SiC-FET: 1 m,擊穿電壓/V,導(dǎo)通電阻 cm,示例,3) SiC的熱導(dǎo)率高（是Si的2.5倍, GaAs的8 倍），飽和電子漂移速度高（是Si 及GaAs的2 倍）,適合于高溫高頻工作。,碳化硅和硅性質(zhì)比較的圖示,導(dǎo)熱性（W/cmK),飽和速（ cm/s）,帶隙（eV）,碳化硅-立方晶體(一種)和六方晶系（4H,6H等多種),擊穿范圍(MV/cm),電子遷移率(*10 cm/Vs),硅-面心立方晶體,SiC同Si一樣,可以直接采用熱氧化工藝在SiC表面生長熱SiO2,由此可以同Si一樣, 采用平面工藝制作各種SiC M

7、OS相關(guān)的器件,包括各種功率SiC MOSFET及IGBT。與同屬第三代半導(dǎo)體材料的ZnO、GaN等相比，SiC已經(jīng)實現(xiàn)了大尺寸高質(zhì)量的商用襯底，以及低缺陷密度的SiC同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,它們?yōu)镾iC功率半導(dǎo)體器件的產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)。 下面就一些SiC典型器件對其優(yōu)勢進(jìn)行分析:,1) P-i-N二極管,P-i-N二極管是廣泛采用的電力電子高壓整流元件。Si 的P-i-N二極管主要靠厚的本征i飄移區(qū)維持反向高壓,厚的本征i區(qū)增加了正向?qū)▔航怠τ赟iC的情形,在相同反向耐壓時,飄移區(qū)的摻雜濃度可以高很多,其厚度比Si 器件的薄很多(見下表),由此可以得到低的正向?qū)〒p耗。,Si及SiC

8、P-i-N二極管擊穿電壓同漂移區(qū)厚度的關(guān)系,2)肖特基二極管,肖特基二極管是單極器件（見右圖） ,具有快的正到反向的恢復(fù)時間,是電力電子中重要的高頻整流元件。對于Si 器件,在較高擊穿電壓時飄移區(qū)電阻迅速增加,由此產(chǎn)生顯著功率損耗。一般Si肖特基二極管工作電壓約為200V,改進(jìn)的結(jié)構(gòu)也不超過600V。 SiC肖特基二極管可以用低得多的飄移區(qū)獲得很高的擊穿電壓。,SiC肖特基二極管同Si超快恢復(fù)二極管的比較,高阻斷電壓,高開關(guān)速度,高溫時穩(wěn)定性好,SiC肖特基二極管,3) 單極場效應(yīng)晶體管,這里指的是MESFET(金屬半導(dǎo)體接觸場效應(yīng)晶體管)及JFET(結(jié)型效應(yīng)晶體管),它們的結(jié)構(gòu)見右圖。 采用

9、SiC特別適合制作這二種高壓大電流器件。同樣,飄移區(qū)在決定它們的優(yōu)良特性方面起決定作用。不過這二種器件通常是常導(dǎo)通型,不適合直接用于開關(guān)。但是它們可以同低壓功率MOSFET結(jié)合構(gòu)成一種常截止型器件,因而發(fā)展這二種高壓大電流器件有重要的意義。,采用槽深1m柵條0.6m的4H- SiC 3KV MESFET ,其比導(dǎo)通電阻為1.83m-cm2,在柵壓為-4V時電流為1.7x104A/cm2,截止偏壓為-24V. 采用結(jié)深1m柵條0.6m的4H- SiC 3KV JFET，其比導(dǎo)通電阻為3.93m-cm2。 這些特性大大優(yōu)于同類Si器件的特性。,3) 巴利格復(fù)合結(jié)構(gòu),巴利格復(fù)合結(jié)構(gòu)將一只低壓功率MO

10、SFET同一只常導(dǎo)通的SiC MESFET結(jié)合起來，構(gòu)成一個常截止的高壓功率開關(guān)。MOSFET的漏DM同SiC MESFET的源等電位，DB電壓上升， DM的電壓也上升。當(dāng)DM的電壓上升到SiC MESFET的截止電壓時， SiC MESFET便截止，因此當(dāng)MOSFET的VGB(復(fù)合結(jié)構(gòu)的輸入電壓）為零時，由于MOSFET的漏電壓鉗位在SiC MESFET的截止電壓上， SiC MESFET截止，復(fù)合結(jié)構(gòu)的高工作電壓主要降在耐高壓的SiC MESFET上。當(dāng)VGB大于MOSFET的閾值電壓時， MOSFET導(dǎo)通，復(fù)合結(jié)構(gòu)也導(dǎo)通，于是高工作電壓的復(fù)合結(jié)構(gòu)開關(guān)，由低壓功率MOSFET來控制。,右圖

11、給出巴利格復(fù)合結(jié)構(gòu)的輸出特性。這個器件在柵壓10V時達(dá)到了很大的飽和電流(2x104A/cm2),線性區(qū)的電流密度達(dá)到570A/cm2,具有低到1.9m-cm2比導(dǎo)通電阻,其特性非常優(yōu)良。,4) 平面功率MOSFET,平面功率MOSFET如右圖所示。對于SiMOSFET,當(dāng)擊穿電壓超過200V時, 導(dǎo)通電阻增加。在高電壓時其比導(dǎo)通電阻大于10-2 -cm2,它導(dǎo)致導(dǎo)通電流密度為100A/cm2時導(dǎo)通壓降大于1V。盡管改進(jìn)的結(jié)構(gòu)可以使其工作在600V以上，但是比導(dǎo)通電阻仍然很大，從而限制了它在高頻下應(yīng)用。SiC功率MOSFET可以克服平面功率MOSFET的缺點，而安全工作區(qū)又比Si 的IGBT好

12、。,右圖示出4H-SiC及Si的平面功率同 MOSFET的比導(dǎo)通電阻的比較?？梢钥闯觯瑢θ菀讓崿F(xiàn)的電子遷移率inv=10cm2/V.S， 在1000V擊穿電壓時，4H-SiC器件的比導(dǎo)通電阻為Si器件的幾十分之一。而當(dāng)inv=100cm2/V.S時，4H-SiC器件的比導(dǎo)通電阻比Si器件的小100倍以上。,5) 槽柵功率MOSFET,槽柵功率MOSFET增大了器件的溝道密度，同時消除了寄生JFET的串聯(lián)電阻，因而改善了功率MOSFET的特性。下圖示出4H-SiC槽柵功率MOSFET同平面功率MOSFET比導(dǎo)通電阻的比較，可以看出，在1000V擊穿電壓下，槽柵器件的比導(dǎo)通電阻約改善了10倍。,3

13、. SiC功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展前景,由于SiC功率半導(dǎo)體器件在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域具有節(jié)電節(jié)能及減小體積方面的巨大優(yōu)勢和應(yīng)用前景，由此各國大力投入，競相研究，并且在器件研究及應(yīng)用方面不斷地取得領(lǐng)人振奮的成績。 在發(fā)展工業(yè)用的SiC功率半導(dǎo)體器件中，首先推出的是SiC肖特基二極管，2001年Infineon公司推出300V-600V(16A)的產(chǎn)品，接著Cree公司于2002年推出600V-1200V(20A)的產(chǎn)品，它們主要用在開關(guān)電源控制及馬達(dá)控制中，IGBT中的續(xù)流二極管也是它們的重要用途。2004年Cree公司銷售該系列產(chǎn)品達(dá)300萬美元,此后銷售額逐年上升,在軍用方面，美國Cree公司受軍

14、方資助，已開發(fā)出10kV/50A的SiC PiN整流器件和10kV的SiC MOSFET。下一步他們將要按比例縮小這些器件的尺寸，以得到10kV/110A的器件模塊，并將它們用于航母的電氣升級管理中去。 在歐洲，德國、法國及西班牙將SiC MOSFET用于太陽能逆變器，獲得98.5%的效率,它的普遍推廣，將帶來極可觀的節(jié)能和經(jīng)濟效益。,三相光伏逆變器,B6-Bridge,750,7 kW,開關(guān)頻率：16.6 kHz,功率半導(dǎo)體器件,IGBT 2 (BSM15GD120DN2), IGBT 3 (FS25R12YT3), IGBT 4 (FS25R12W1T4),SiC-MOSFET (CNM

15、1009),示例1,三相光伏逆變器效率,20年內(nèi)IGBT將會和目前的SiC元件具有同樣的性能,一臺利用SiC晶體管7kW光伏逆變器的經(jīng)濟效益,單相HERIC-逆變器,H4-橋 + HERIC-開關(guān)管,350,5 kW,開關(guān)頻率：16 kHz,功率半導(dǎo)體器件,IGBT: FGL40N120AND,SiC Transistors: MOSFET (CNM 1009), JFET (SJEP120R063),SiC Diodes: C2D20120D,示例2,單相HERIC-Inverter效率,當(dāng)MOSFET高溫時，采用MOSFET和JFETs 的 效率相等,測量結(jié)果包括輔助源的損耗,效率與溫度的關(guān)系(HERIC-逆變器),最高效率和溫度無關(guān),更小的散熱裝置,損耗減半,散熱裝置溫度可以更高,效率與電壓關(guān)系(HERIC-逆變器),SiC晶體管最高效率與直流電壓關(guān)系不大,可以用于寬范圍的輸入電壓,逆變器最高效率提升圖,