基于硅单晶与宽禁带材料电力电子器件性能对比及最新发展

1JIANGSUUNIVERSITY基于硅单晶与宽禁带材料电力电子器件性能对比及最新发展动态的专题报告学院名称：电气信息工程学院专业班级：学生姓名：学生学号:2016.11.11一．硅单晶材料的电力电子器件性能对比1.1硅单晶材料单晶硅主要用于制作半导体元件，是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。自晶闸管和功率晶体管问世和应用以来，硅基半导体器件在功率处理能力和开关频率方面不断改善，先后诞生了GTR、GTO、MOSFET和IGBT等现代电力电子器件，对电力电子系统缩小体积、降低成本起到了极其关键的作用[1]。1.2各器件性能对比1.2.1大功率晶体管（GTR）GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。1.2.2门极可关断晶闸管（GTO）1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTO有对称、非对称和逆导三种类型。与对称GTO相比，非对称GTO通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力(3000Ｖ以上)。逆导型GTO是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。1.2.3功率MOSFET功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作2频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。1.2.4绝缘门极双极型晶体管（IGBT）IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，当时容量仅500V/20A，且存在一些技术问题。经过几年改进，IGBT于1986年开始正式生产并逐渐系列化。至90年代初，IGBT已开发完成第二代产品。目前，第三代智能IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已达4500V/1000A。由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量(600V以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。另外，IR公司已设计出开关频率高达150kHz的WARP系列400～600VIGBT，其开关特性与功率MOSFET接近，而导通损耗却比功率MOSFET低得多。该系列IGBT有望在高频150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低开关损耗。IGBT的发展方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品[2]。二．宽禁带半导体材料的电力电子器件性能对比2.1宽禁带半导体材料宽禁带半导体材料（Eg大于或等于3.2ev）被称为第三代半导体材料。主要包括金刚石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好的特点，其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景，非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。基于新型宽禁带半导体材料的电力电子器件具有更优越的性能，成为功率器件的研究热点。目前3宽禁带半导体器件中碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）电力电子器件已有商业化产品，并在某些领域得到应用。2.2SiC2.2.1SiC整流器件SiC功率二极管有三种类型：肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode，SBD）、PiN二极管和结势垒肖特基二极管（JunctionBarrierSchottky，JBS）。肖特基二极管开关速度快、导通压降低，但阻断电压偏低、漏电流较大；PiN二极管阻断电压高、漏电流小，但工作过程中反向恢复严重，JBS二极管结合了肖特基二极管所拥有的出色的开关特性和PiN结二极管所拥有的低漏电流的特点。把JBS二极管结构参数和制造工艺稍作调整就可以形成混合PiN-肖特基结二极管（MergedPiNSchottky，MPS）。2.2.2SiC单极型器件（1）SiCMOSFET。功率MOSFET具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在Si基器件中，功率MOSFET获得巨大成功。同样，SiCMOSFET也是最受瞩目的SiC功率器件。（2）SiCJFET。SiCJFET是碳化硅结型场效应管，具有导通电阻低、开关速度快、耐高温及热稳定性高等优点，具有常开和常闭两种类型。常开型SiCJFET在没有驱动信号时处于导通状态，容易造成桥臂的直通危险，降低了功率电路的安全可靠性。对此，Semisouth公司推出了常闭型SiCJFET，但这种器件的栅极开启电压阈值太低（典型值为1V），在实际应用中容易产生误导通现象[3]。2.2.3SiC双极型器件（1）SiCBJT。与传统SiBJT相比，SiCBJT具有更高的电流增益、更快的开关速度及较小的温度依赖性，不存在二次击穿问题，并且具有良好的短路能力，是SiC可控开关器件中很有应用潜力的器件之一。（2）SiCIGBT。SiCMOSFET的通态电阻随着阻断电压的上升而迅速增加。在高压领域，SiCIGBT将具有明显的优势。在结温为300K时，在芯片功耗密度为200W/cm以下的条件下，MOSFET可以获得更大的电流密度，而在更高的功耗密度条件下，IGBT可以获得更大的电流密度。但是在结温为400K时，IGBT在功耗密度为50W/cm2以上的条件下就能够导通比MOSFET更高的电流密度。（3）SiCGTO。在大功率开关应用中，晶闸管以其耐压高、通态压降小及通态功耗低而具有较大优4势。对碳化硅晶闸管的研究主要集中在GTO上[4]。2.3GaN宽禁带半导体材料GaN具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场大和化学性质稳定等特点。因此基于GaN材料制造的电力电子器件具有通态电阻小、开关速度快、高耐压及耐高温性能好等特点。与SiC材料不同，GaN除了可以利用GaN材料制作器件外，还可以利用GaN所特有的异质结结构制作高性能器件。2.3.1GaN整流管GaN功率二极管包括两种类型：GaN肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode，SBD）和PN二极管。GaN肖特基二极管主要有三种结构：横向结构、垂直结构和台面结构[5]。横向结构利用AlGaN/GaN异质结结构，在不掺杂的情况下就可以产生电流，但横向导电结构增加了器件的面积以及成本，并且器件的正向电流密度普遍偏小。垂直结构是一般电力电子器件主要采用的结构，可以产生较大的电流，有很多研究机构利用从厚的外延片上剥离下来厚的GaN独立薄片做纵向导电结构的肖特基二极管，但是这样的外延片缺陷密度高，制造出来的器件虽然电流较大，但是反向漏电也非常大，导致击穿电压与GaN应达到的水平相距甚远，因此，对于垂直结构GaN肖特基二极管的研究主要还是停留在仿真以及改善材料特性阶段。台面结构，也称为准垂直结构一般是在蓝宝石或者SiC衬底上外延生长不同掺杂的GaN层，低掺杂的n层可以提高器件的击穿电压，而高掺杂的n层是为了形成良好的欧姆接触，这种结构结合了横向和纵向结构的优点，同时也存在横向和垂直结构的缺点，它最大的优势在于可以与传统的工艺兼容，并且可以将尺寸做得比较大。2.3.2GaN高电子迁移率晶体管在GaN所形成的异质结中，极化电场显著调制了能带和电荷的分布。即使整个异质结结构没有掺杂，也能够在GaN界面形成密度高达1×1013～，且具有高迁移率的二维电子气（2DEG）。2DEG沟道比体电子沟道更有利于获得强大的电流驱动能力，因此GaN晶体管以GaN异质结场效应管（HEMT）为主，该器件结构又称为高电子迁移率晶体管（HEMT）。2.3.3GaNMOSFET在高压功率开关场合，横向GaNMOSFET表现出常断和大的导带偏移等优点，使得它们不易受到热电子注入和其他可靠性问题如表面状态和电流崩溃的影响，成为替代SiCMOSFET和GaN5HEMT的较好选择。随着GaN器件研究的持续升温，采用双极型结概念的双向异质结GaN场效应管已问世[6]。该GaN场效应管中的肖特基和p-n结栅极结构排列在蓝宝石绝缘基底上，器件间的隔离电压大于2kV，正向导通电阻和反向导通电阻分别是24Ω·mm和22Ω·mm。三．电力电子器件发展动态硅材料市场前景广阔，中国硅单晶的产量、销售收入近几年递增较快，以中小尺寸为主的硅片生产已成为国际公认的事实，为世界和中国集成电路、半导体分立器件和光伏太阳能电池产业的发展做出了较大的贡献。从高技术应用领域到传统产业，特别是一些重大工程如三峡、特高压、高铁、西气东输等，乃至照明和家电等，硅半导体器件都起到了至关重要的作用。由此可见，硅电力电子器件待开发的应用空间仍旧十分广阔，市场前景仍较好。但是，硅电力电子器件本身的技术、制造工艺发展空间已经不太大了，硅基电力电子器件的水平已基本上稳定在109～1010W·Hz左右，逼近了由于寄生二极管制约所能达到的Si材料极限。而SiC和GaN宽禁带电力电子器件则由于其突出的优势，代表着电力电子器件领域未来的发展方向。因为宽禁带器件的使用还不够成熟，且在价格上宽禁带器件并没有优势，而且考虑到安全性、市场使用惯性，完全接受宽禁带器件还需要一定的时间。预计在未来至少十年内，Si器件仍然会主导功率电子市场。参考文献：[1]钱照明，张军明，盛况．电力电子器件及其应用现状和发展[J]．中国电机工程报，2014,，34(29)：5149-5151．[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2009:10-39.[3]朱梓悦,秦海鸿.宽禁带半导体器件研究现状与展望[J].电气工程学报,2016,11(1):1-11.[4]王俊，李清辉，邓林峰，等．高压SiC晶闸管在UHVDC的应用前景[C]．中国高校电力