試析碳化硅電力電子器件發(fā)展及其應(yīng)用

摘要：電力電子技術(shù)包括半導(dǎo)體功率器件技術(shù)、功率變換技術(shù)及控制技術(shù)等，但以往的電力電子器件的制成材料都是硅半導(dǎo)體材料，近些年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多具有優(yōu)良性能的新型化合物半導(dǎo)體材料應(yīng)用于電力電子器件的制造中。文章對(duì)碳化硅材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了介紹，并對(duì)碳化硅材料在電力電子器件中的發(fā)展和應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：碳化硅材料；電力電子器件；硅半導(dǎo)體材料；新型化合物；高頻大功率器件 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN387 文章編號(hào)：1009-2374（2015）36-0037-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.017

相較于硅器件，碳化硅主要具有穩(wěn)定性良好、熱導(dǎo)率高、載流子飽和漂移速度高等優(yōu)點(diǎn)，可以制作各種耐高溫的高頻大功率器件，由于碳化硅材料的這種良好的使用性能，所能達(dá)到的使用效果是以往硅器件所達(dá)不到的，從而成為當(dāng)前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料。由于碳化硅材料可以在溫度超過600℃的工作環(huán)境中保持良好的工作狀態(tài)，對(duì)工作環(huán)境具有更高的適應(yīng)性，同時(shí)在額定阻斷電壓相同的前提下，碳化硅材料所制成的功率開關(guān)器件與以硅材料所制成的器件相比，不僅具有更高的工作效率，其也具有更低的通態(tài)比電阻，基于以上優(yōu)點(diǎn)使得碳化硅材料在電力電子器件的制作中被廣泛

應(yīng)用。

盡管碳化硅器件面積由于受到自身晶格缺陷的限制而遠(yuǎn)不能與硅器件相比，產(chǎn)量、成本以及可靠性方面也對(duì)碳化硅器件的發(fā)展具有一定的阻礙，但自從1990年直徑30mm的碳化硅單晶片上市以來，隨著科技的迅速發(fā)展，各種高品質(zhì)的碳化硅應(yīng)用技術(shù)被研究、開發(fā)出來，碳化硅材料在電力電子器件中的應(yīng)用范圍也逐漸在擴(kuò)大，并使得其在部分電力電子技術(shù)領(lǐng)域逐漸替代了以往的硅器件。近些年來，在美國(guó)、德國(guó)等各大公司以碳化硅材料發(fā)明生產(chǎn)了許多的電力電子器件，這些器件都具有反向恢復(fù)時(shí)間短、反向漏電流極小、高溫條件下工作狀態(tài)沒有明顯改變等優(yōu)點(diǎn)。特別需要提到的就是肖特基勢(shì)壘二極管，以碳化硅材料制造的比以往由硅和砷化鎵材料制造而成的肖特基勢(shì)壘二極管適用范圍從250V提高到了1200V，相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，其使用范圍將會(huì)更大，這在電力電子器件的發(fā)展中是一個(gè)質(zhì)的提高。同時(shí)由于使用碳化硅材料所帶來的整體效益明顯高于碳化硅與硅器件之間的制作成本差異，相信在不久的將來，在電力電子器件的制造中碳化硅的使用將會(huì)更加廣泛，電力電子器件也將會(huì)具有更高的使用性能。

1 在電力電子器件中關(guān)于碳化硅研發(fā)工作的進(jìn)展

隨著碳化硅器件在電力電子中的應(yīng)用越來越廣泛，使得關(guān)于碳化硅的研發(fā)工作進(jìn)展也不斷加快。圖1表示碳化硅器件研發(fā)進(jìn)程中肖特基勢(shì)壘二極管和碳化硅pn結(jié)二極管阻斷電壓和場(chǎng)效應(yīng)器件品質(zhì)因子（FM）的最高水平隨時(shí)間遞增的情況：

通過圖1可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)入新世紀(jì)以來，電力電子器件基本性能參數(shù)增長(zhǎng)相較以前更為迅速，對(duì)場(chǎng)效應(yīng)器件的研發(fā)進(jìn)展更加明顯，證明場(chǎng)效應(yīng)器件具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在電力電子器件的應(yīng)用方面，由于浪涌電流會(huì)引起器件結(jié)溫的驟然升高，通態(tài)比電阻偏高的器件，其浪涌電流承受能力也會(huì)隨之降低，因此電力電子器件在需要時(shí)盡可能降低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗外，還要注意提高浪涌電流的承受能力。同時(shí)單極功率器件的通態(tài)比電阻隨阻斷電壓的提高而增加，盡管硅器件具有較好的性能價(jià)格比，但這也是需要電壓的等級(jí)控制在100V以內(nèi)，從而使得難以滿足高頻應(yīng)用的需要，如果使用碳化硅器件制造單極器件，其通態(tài)壓降將會(huì)低于硅雙極器件，縱使在阻斷電壓高于10kV的前提下，其結(jié)果也是一樣，單極器件在工作效率等方面相較于雙極器件具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)肖特基勢(shì)壘二極管能夠更好地促進(jìn)碳化硅電力電子器件的商品化進(jìn)程，因此在碳化硅電力電子器件的研究和開發(fā)過程中，首先就要重點(diǎn)進(jìn)行肖特基勢(shì)壘二極管的研究和開發(fā)。

1.1 碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）

在全世界中首次研制成功出了6H-SiC碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管是由美國(guó)北卡州立大學(xué)功率半導(dǎo)體研制中心所最先報(bào)道，這類二極管的阻斷電壓為400V，通過短短兩年的發(fā)展就將阻斷電壓提高到了接近理論設(shè)計(jì)值（1000V），同時(shí)隨著在歐洲、亞洲等地對(duì)碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管研究的投入，使得使用材料變?yōu)?H-SiC，阻斷電壓獲得更大的進(jìn)步。

當(dāng)前碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管的阻斷電壓已經(jīng)達(dá)到10000V以上，大電流器件的通態(tài)電流為130A，其阻斷電壓達(dá)到5000V。這種碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管主要采用了n型高阻厚外延片，同時(shí)在肖特基勢(shì)壘接觸和歐姆接觸中使用了鎳，該器件的尺寸也較小，肖特基勢(shì)壘接觸的直徑只有300um，且采用了大面積的芯片。在碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管中，若肖特基上的金屬是鉑，同時(shí)為降低陽(yáng)極電流的擴(kuò)散電阻而在鉑金屬上再蒸鍍2um的金膜，在背電極經(jīng)過退化處理的這種器件不具備較好的反向特性，其漏電流隨著電壓的增加而增加。器件的反向特性與芯片的面積有關(guān)，芯片面積越低器件的反向特性越高。同時(shí)根據(jù)研究者的研究表明，JBS結(jié)構(gòu)在降低碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管的反向漏電流以及改善其正向特性中都具有很好的效果，同時(shí)兼顧正反向特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)將碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管的JBS結(jié)構(gòu)的通態(tài)比電阻相較于硅器件理論值的1∶400。

1.2 碳化硅場(chǎng)效應(yīng)器件

碳化硅功率金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管的開發(fā)優(yōu)勢(shì)就是能夠兼顧阻斷電壓和通態(tài)比電阻，隨著1994年首次報(bào)道的碳化硅功率金氧半場(chǎng)效晶體管耐壓只有250V，短短四年時(shí)間其阻斷電壓就提高到了1400V，同時(shí)采用柵增強(qiáng)功率結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高阻斷電壓，降低通態(tài)比電阻。近年來人們充分挖掘了碳化硅材料在場(chǎng)效應(yīng)器件方面的應(yīng)用潛力，對(duì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)也做了很多改良，從而減少了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管常規(guī)工藝流程中的碳化硅外延生長(zhǎng)這道高難度工序，同時(shí)還在器件結(jié)構(gòu)中取消了橫向結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵，從而使器件的通態(tài)比電阻有所下降，使得場(chǎng)效應(yīng)器件品質(zhì)因子也獲得了提高。endprint

1.3 碳化硅雙極型器件

用硅材料是不可能做出耐壓十分高的器件，但碳化硅卻可以制造阻斷電壓很高的雙極器件，例如pn結(jié)二極管和晶閘管等。與肖特基勢(shì)壘二極管相比，pn結(jié)二極管更容易提高阻斷電壓和經(jīng)受大電流沖擊的能力，同時(shí)隨著碳化硅品質(zhì)的提高和各種終端保護(hù)技術(shù)的采用，使得碳化硅pn結(jié)二極管的阻斷電壓持續(xù)升高。由于受到材料的微管密度較高，沒有大面積芯片可用的限制，使得一些高壓4H-SiCpn結(jié)二極管器件的正向電流都比較小。

隨著碳化硅器件的使用性能越來越廣泛，研發(fā)碳化硅雙極晶體管成為了當(dāng)前的發(fā)展方向，開發(fā)碳化硅雙極晶體管的關(guān)鍵問題就是提高電流增益，采用外延層作基區(qū)，用離子注入形成發(fā)射極的方法可以提高電流的增益，同時(shí)采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)也會(huì)獲得更高的電流增益。

晶閘管最能體現(xiàn)碳化硅材料特長(zhǎng)是在兼顧開關(guān)頻率、功率處置能力和高溫特性方面，在阻斷電壓超過3000V的時(shí)候，碳化硅晶體管的通態(tài)電流密度則會(huì)更高，因此更適合于交流開關(guān)方面的應(yīng)用。隨著對(duì)碳化硅晶閘管研究的深入，使得普通的晶閘管逐漸淡化，而是向GTO方向集中對(duì)碳化硅晶體管的研究。

2 碳化硅器件在電力電子中的廣泛應(yīng)用

隨著碳化硅材料制備技術(shù)的進(jìn)展，使得碳化硅器件在電力電子中應(yīng)用十分廣泛，通過采用碳化硅材料所研制的器件種類也在逐年增加。早在1999年就有關(guān)于單向逆變器使用碳化硅pn結(jié)二極管以及將碳化硅開關(guān)器件和二極管同時(shí)應(yīng)用于三項(xiàng)逆變器和單項(xiàng)PWM逆變器中的報(bào)道，同時(shí)近些年來在板橋PWM逆變器中使用碳化硅開關(guān)器件和二極管方面的應(yīng)用研發(fā)工作也進(jìn)行了有關(guān)的報(bào)道。碳化硅器件的應(yīng)用范圍廣泛，例如碳關(guān)于化硅二極管就在1999年被報(bào)道制造成功了一個(gè)當(dāng)時(shí)世界最高水平的碳化硅肖特基二極管，在1997年被報(bào)道已用結(jié)型勢(shì)壘肖特基接觸結(jié)構(gòu)制成碳化硅功率整流器，制造出可探測(cè)火焰和爆炸輻射的碳化硅紫外光探測(cè)器。同時(shí)還有關(guān)于碳化硅結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、具有較高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、靜電感應(yīng)晶體管以及碳化硅晶閘管的應(yīng)用報(bào)道。

3 結(jié)語(yǔ)

由于碳化硅材料所具有的良好的使用性能和優(yōu)良特性，使得人們對(duì)于碳化硅電力電子器件的研究和使用逐漸深入，但電力電子而言碳化硅材料的優(yōu)勢(shì)并不僅局限于能夠提高器件的耐壓能力，同時(shí)更重要的方面就是還能大幅度降低功率損耗，從而使得碳化硅電力電子器件的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力得到提高。同時(shí)碳化硅與硅在電力電子技術(shù)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)中所存在的另一優(yōu)勢(shì)就是能夠?qū)⒓骖櫰骷念l率和功率以及耐高溫，同時(shí)隨著碳化硅器件的發(fā)展以及制造技術(shù)的進(jìn)步，碳化硅材料在電力電子器件中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，將會(huì)極大地推動(dòng)器件的創(chuàng)新，碳化硅電力電子器件的應(yīng)用前景將會(huì)充滿生機(jī)。

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作者簡(jiǎn)介：姜文海（1978-），男，山東莘縣人，南京電子器件研究所高級(jí)工程師，博士，研究方向：半導(dǎo)體功率器件。

（責(zé)任編輯：陳 潔）endprint