SiC功率半导体器件的优势及发展前景

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（～50A/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。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。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。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(~200ºC)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。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。最小导通电阻当今水平（T-MAX):Si-MOSFET:560mΩSiC-FET:50mΩ(6mΩ)理论极限（T-MAX):Si-MOSFET:≈400mΩSiC-FET:≈1mΩ击穿电压/V导通电阻Ωcm²示例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。碳化硅和硅性质比较的图示导热性（W/cmK)饱和速（cm/s）7*10带隙（eV）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)电子迁移率(*10³cm²/Vs)硅--面心立方晶体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SiCMOS相关的器件,包括各种功率SiCMOSFET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: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。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。SiC肖特基二极管同Si超快恢复二极管的比较高阻断电压高开关速度高温时稳定性好SiC肖特基二极管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。采用槽深1µm栅条0.6µm的4H-SiC3KVMESFET,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-SiC3KVJFET，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。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SiCMESFET结合起来，构成一个常截止的高压功率开关。MOSFET的漏DM同SiCMESFET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SiCMESFET的截止电压时，SiCMESFET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SiCMESFET的截止电压上，SiCMESFET截止，复合结构的高工作电压主要降在耐高压的SiCMESFET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10-2Ω-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。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，4H-SiC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，4H-SiC器件的比导通电阻比Si器件的小100倍以上。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。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在军用方面，美国Cree公司受军方资助，已开发出10kV/50A的SiCPiN整流器件和10kV的SiCMOSFET。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SiCMOSFET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。三相光伏逆变器B6-Bridge750DCV7kW开关频率：16.6kHz功率半导体器件IGBT2(BSM15GD120DN2),IGBT3(FS25R12YT3),IGBT4(FS25R12W1T4)SiC-MOSFET(CNM1009)示例1三相光伏逆变器效率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效率提高代来的增益(每年)效率提高带来的增益(10年)佛莱堡(德国)140KWh0.45EUR63EUR630EUR阿尔梅亚(西班牙)275KWh0.44EUR121EUR1210EUR马赛(法国)250KWh0.55EUR137EUR1370EUR单相HERIC®-逆变器H4-桥+HERIC-开关管350DCV5kW开关频率：16kHz功率半导体器件IGBT:FGL40N120ANDSiCTransistors:MOSFET(CNM1009),JFET(SJEP120R063)SiCDiodes:C2D20120D示例2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SiCPN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。谢谢!