SiC功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢及發(fā)展前景

SiC功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢

及開展前景中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所

劉忠立報告內(nèi)容1.Si功率半導(dǎo)體器件的開展歷程及限制2.SiC功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢3.SiC功率半導(dǎo)體器件的開展前景

1.Si功率半導(dǎo)體器件的開展歷程及限制Si功率半導(dǎo)體器件的開展經(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)用目標(biāo)的BJT，即使采用達林頓結(jié)構(gòu)，在正向?qū)ê蛷娖刃詵抨P(guān)斷過程中，電流增益β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〔～50A/cm2〕，器件的并聯(lián)使用困難，同時其平安工作區(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小〔IG~100nA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平安工作區(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開展，已形成大量產(chǎn)品，并在實際中得到廣泛的應(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。如上所述,盡管Si功率半導(dǎo)體器件經(jīng)過半個世紀(jì)的開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)體器件的開展受到極大的限制。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)損耗難以到達理想狀態(tài)。Si較小的禁帶寬度Eg及較低的熱導(dǎo)率λ,限制了器件的最高工作溫度(~200oC)及最大功率。為了滿足不斷開展的電力電子工業(yè)的需求,以及更好地適應(yīng)節(jié)能節(jié)電的大政方針,顯然需要開展新半導(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600°C。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:560mΩSiC-FET:50mΩ(6mΩ)理論極限〔T-MAX):Si-MOSFET:≈400mΩSiC-FET:≈1mΩ擊穿電壓/V導(dǎo)通電阻Ωcm2例如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(*103cm2/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外表生長熱SiO2,由此可以同Si一樣,采用平面工藝制作各種SiCMOS相關(guān)的器件,包括各種功率SiCMOSFET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)化奠定了良好的根底。下面就一些SiC典型器件對其優(yōu)勢進行分析: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?。對于SiC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。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,因而開展這二種高壓大電流器件有重要的意義。

采用槽深1μm柵條0.6μm的4H-SiC3KVMESFET,其比導(dǎo)通電阻為1.83mΩ-cm2,在柵壓為-4V時電流為1.7x104A/cm2,截止偏壓為-24V.

采用結(jié)深1μm柵條0.6μm的4H-SiC3KVJFET，其比導(dǎo)通電阻為3.93mΩ-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MOSFET同一只常導(dǎo)通的SiCMESFET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SiCMESFET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SiCMESFET的截止電壓時，SiCMESFET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SiCMESFET的截止電壓上，SiCMESFET截止，復(fù)合結(jié)構(gòu)的高工作電壓主要降在耐高壓的SiCMESFET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時到達了很大的飽和電流(>2x104A/cm2),線性區(qū)的電流密度到達570A/cm2,具有低到1.9mΩ-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10-2Ω-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，而平安工作區(qū)又比Si的IGBT好。

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。可以看出，對容易實現(xiàn)的電子遷移率μinv=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)μinv=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。以下圖示出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.SiC功率半導(dǎo)體器件的開展前景由于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。在開展工業(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公司受軍方資助，已開發(fā)出10kV/50A的SiCPiN整流器件和10kV的SiCMOSFET。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SiCMOSFET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-Bridge750

7kW開關(guān)頻率：16.6kHz功率半導(dǎo)體器件IGBT2(BSM15GD120DN2),IGBT3(FS25R12YT3),IGBT4(FS25R12W1T4)SiC-MOSFET(CNM1009)例如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

能量增益

(每年)最大再生能源發(fā)電補助/KWA效率提高代來的增益(每年)效率提高帶來的增益(10年)

佛萊堡

(德國)

140KWh0.45EUR63EUR630EUR

阿爾梅亞

(西班牙)275KWh0.44EUR121EUR1210EUR

馬賽

(法國)250KWh0.55EUR137EUR1370EUR單相HERIC?-逆變器H4-橋+HERIC-開關(guān)管3505kW開關(guān)頻率：16kHz功率半導(dǎo)體器件IGBT:FGL40N120ANDSiCTransistors:MOSFET(CNM1009),JFET(SJEP120R063)SiCDiodes:C2D20210D例如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