关键词：宽禁带半导体；碳化硅；电力电子器件
Abstract: The traditional silicon material devices are limited in many applications, such as high temperature, high voltage and high switching frequency. The new wide bandgap semiconductor materials, represented by silicon carbide and gallium nitride, break the bottleneck of the development of electric and electronic devices, which will lead the present and future markets. The excellent characteristics of silicon carbide, the common types of silicon carbide devices, the application fields and the latest research progress at home and abroad are introduced in this paper. At last, the existing problems in the development of the device are summarized, and some suggestions are put forward.
Key words: Wide bandgap semiconductor; Silicon carbide; Power electronic devices
【中图分类号】TQ163+.4 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）07-0000-00
1 器件简介
电力电子器件（Power Electronic Devices）又称功率半导体器件，一般指用于电力设备的电能变换以及控制电路等方面大功率器件。自从1957年（可控硅）晶闸管问世，Si功率器件的生产工艺就逐渐走向成熟和完善、应用领域也日益广泛，在电力器件的市场份额上占据了绝对主导地位。
随着科技的日益发展，人们对电力器件的需求逐渐提高，希望它们可以应用在高温、高压、高开关频率[1]（见图1）等要求更高的场合，同时提高电能转换效率，达到节约电能的目的。由于Si材料本身性能的限制，其器件性能已经达到极限。以德国英飞凌公司提供的产品规格为例[2]，Si器件工作温度低于200℃，一般在-55℃到175℃。商用Si IGBT的击穿电压可达几千伏，但目前大部分产品为600V-1700V,而Si MOSFET为20-900V，这显然无法满足人们更高的需求。
 

SiC是一种宽禁带（WBG）半导体材料，具有优异的材料性能。见图2[3]。SiC功率器件，也称作第三代半导体器件（以下简称SiC器件）具有良好的特性：高温工作能力，高阻断电压，抗辐射能力，高开关频率，良好的热导率（约为Si的三倍）。SiC器件的出现满足了人们对电力半导体器件的需求，拥有非常好的前景。目前已有相当数量的产品问世，其产品规模还在进一步扩大中。图3[4]显示了法国Yole公司对宽禁带半导体市场预估。
 

 

2 常用类型及其应用
2.1 功率二极管
（1）碳化硅肖特基二极管（SiC SBD: Schottky Barrier Diode）
SBD的应用领域比较广泛，其器件的性能比较优异，产品也很多。它具有极高的开关速度和低开态损耗，但阻断电压较低，反向漏电流较大。其应用举例有：
航空航天和太空任务：SiC器件的高温工作能力使其适用于航空航天和太空任务中的应用，不过需要开发高温下可靠工作的器件封装。大面积的3.3kV SBD已经被用于制造正向电流范围为10-20A的高温应用[6]。例如欧洲航天局水星探测器任务中为苛刻的太空环境而开发出300V/5A SBD[7]。
IGBT的续流二极管：与超快Si PiN二极管相比，反向恢复电荷较低，SiC SBD非常适用于高开关速度应用，例如Si IGBT的续流二极管。图4[6]显示了三种SiC二极管在25℃和300℃的反向恢复情况。

整流器二极管：同Si相比，SiC具有较大的介电临界场，在漂移层厚度相同，阻断电压可以增加10倍。SiC的高导热率也是一个很大的优点，它允许在更高的电流密度额定值下工作，并使冷却系统的尺寸最小化，所以SBD作为整流二极管更有优势。
目前SiC SBD已经和同类型的Si产品竞争市场，各大主流公司也已经能生产各种类型的SBD。在开关电源应用领域中，SiC SBD由于其优异的反向恢复特性已得到广泛应用。格锐公司提供600V/1A-1700V/50A范围的SiC SBD，研发和生产已经相当成熟。如表1所示[7]。英飞凌公司提供阻断电压1200V的第五代SiC SBD。其最新研制的CoolSiC™系列二极管建立在G5器件独特的特性基础上，达到高可靠性、高质量和高效率。应用范围涵盖了服务器、PC电源、电信设备电源和光伏逆变器等当前和未来的应用[2]。

JBS应用较多的领域是整流器。结合了PiN和肖特基结构的混合整流器兼具PiN二极管的高阻断电压能力和SBD的低反向恢复能力，商用电压可高达1.2kV。
英飞凌推出第五代650VthinQTM系列SiC JBS，在正温度系数下，浪涌电流能力和雪崩耐用性得到很大改善。格锐公司还提供能够用于IGBT模块中反并联二极管的大电流（50 A）JBS二极管，还有1.2KV/75-100A至10KV/ 20A JBS产品[7]。
2017，南京电子器件研究所展示了3300V/30A的SiC JBS二极管[9]，不过就目前主流公司提供的产品看，SiC JBS优势不够突出，产品数量很少。
（3）碳化硅PiN二极管（SiC PiN）
PiN二极管，就是在PN半导体之间加入一层本征半导体材料，漏电流很低，因为反向恢复时大量存储载流子的存在，反向恢复速度较慢。主要应用在整流器上，不过存在可靠性问题（主要是正向电压漂移）。实际投入市场的产品较少，目前的研究重点是高压、高品质因数、静动特性、稳定性等。
清华大学的岳瑞峰等人对3.6KV的PiN二极管进行改进，使其正向压降（IA=100A/cm2）达到3.7V[10]。美国德克萨斯理工大学的E.A.Hirsch等人正在对15KV的SiC PiN二极管的长期可靠性和安全工作面积进行评估[11]。
2.2 功率开关
（1）碳化硅肖特基二极碳化硅结型场效应晶体管（SiC JEFT：Junction Field Effect Transistor）
它利用半导体内的电场效应工作，拥有超低的导通电阻，可以在高温和高开关频率下工作。在1.2-1.7kV的范围，Si MOSFET有较大的导通损耗。同样，开关速度较快时，Si IGBT有较大的开关损耗开关损耗。SiC JFET是上述情况下的极佳替代品，它拥有超低的导通电阻，而且能够在高温和高频下工作。一般来说1200V SiC JFET居多，3000V以上的很少。2013年和2016年黄润华等人研制出常闭型和常开型的1700V/3.5A、4500V/3A以及3000V/10A的SiC JFET 器件[12]-[13]。具体应用举例如下：
光伏逆变器：来自佛罗里达州立大学的桑德罗马丁等人以100kW/50kHz光伏T型逆变器为基础，分析了五种基于三种器件的功率损耗和功率密度的设计方法，分析表明，SiC JFET共源共栅器件实现了最低的总功率损耗。见图6[14]。
 

固态断电器：来自威斯康星大学的Robert M 等人在自供电固态断路器（SSCBS）使用超快速SiC JFET，将其作为340V DC住宅直流社区微电网的启动保护装置。这些SSCBs将被纳入径向分布系统，以提高故障识别能力。
英飞凌开发了针对谐振转换器和电源的1.5kV/0.5Ω导通电阻的混合开关。它由一个1.5kV垂直常开SiC JFET和一个共源共栅配置的60V N沟道Si MOSFET（提供常关状态）组成[15]。英飞凌最近还推出了一款1.2kV/70mΩ导通电阻的SiC JFET开关（CoolSiCTM）[1]，该开关采用共源共栅拓扑结构，包括一个低压P沟道Si MOSFET，一个高压N沟道SiC JFET。该方案将JFET和MOSFET的栅极驱动器引用到相同的电位，从而使开关耐用性得到提高。虽然采用SiC JFET技术理论上器件可以在高达4.5kV的电压下工作，但由于封装内部存在低耐压的Si MOSFET，因此混合开关不可以在高温下工作。图7显示了常开和常关JFET的示意截面图[16]。
 

（2）碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET ：Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）
一般称作MOS管，分为P/N沟道型MOS管，或者增强/耗尽型MOS管。SiC MOS门控结构的最佳候选器件是击穿电压高达9kV的功率MOSFET，以及具有更高电压能力的IGBT。MOSFET是应用的最多也是发展最成熟的单极开关器件。其优势在于损耗小，开关速度快，耐高温工作。DMOSFET（Double-diffused Metaloxide Semiconductor Field-effect Transistor双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管）应用较多，它与普通MOS管相比更耐高压。具体应用举例如下：
光伏逆变器：在光伏逆变器应用中，德国Fraunhofer 研究所在1200V电压等级用SiC MOSFETs替代Si IGBTs，研发了7kW/750V的三相光伏逆变器，转换效率提升至99.05%，损耗减少30%～50%，且极大缩小装置电感电容体积，增加功率密度，实现了小型化[17]。
固态变压器（SSPS）：美国Cree和Powerex以及GE公司已经联合研制了10kV/10A SiC MOSFET和10kV/120A SiC半桥MOSFET功率模块，并基于10kV/120A功率模块研制了13.8kV/1MVA固态变压器[18]，使用SiC功率器件后，SSPS重量下降5%，体积减小40%。
DBA（双主动全桥）变换器：北京交通大学的梁美等人将SiC MOSFET应用到2kW DBA转换器中，发现和Si Cool-MOS以及Si IGBT相比，SiC MOSFET开通和关断延迟时间最小，反向恢复时间最小，开关频率最高，可达100kHz，效率最高为94.3%（理论值94.6%）[19]。
格锐公司提供SiC MOSFET拥有比较好的性能，比如更高的开关频率，减少元器件的数量和大小，如电感、电容、滤波器、变压器。如表2[7]显示了格锐公司提供的部分SiC MOSFET。英飞凌公司也在这方面有所突破。不过产品数量较少，如表3[1]。

此外，罗姆公司目前可提供35A/1.2kV/80mΩ的SiC MOSFET[20]，另外展示了一款用于高电流密度的1.2kV/1mΩ•cm2沟槽MOSFET结构，可以实现单芯片驱动300A电流。该公司还将推出集成SiC MOSFET和SBD的120A/1.2kV“全SiC”电源模块，其工作频率高于100kHz。 Powerex公司还提供100A/1.2kV全SiC电源模块，一个800A/1.2kV模块也在研发中。图8显示了DMOSFET器件的截面图[20]。
 

（3）碳化硅金属-半导体[接触势垒]场效应晶体管（SiC MESFET：Metal Epitaxial-Semiconductor Field Effect Transistor）
    SiC MESFET主要是硼离子的一种反应，其特性是电流传输只由多数载流子承担，不存在少数载流子储存效应，有利于提高开关频率和开关。高电平时，漏极温度系数为负，避免了二次击穿。且它多载流子器件，抗辐射能力强。不过由于肖特基结正偏时栅极电流较大，一般工作在栅压反偏的模式下。随着无线通信技术的飞速发展,对硬件系统高功率密度、快响应速度的需求日益迫切，基于SiC材料的MESFET在微波射频领域具有Si、GaAs器件无法比拟的优势，适合航天、微波通信、电子对抗、大容量信息处理等应用[8]。
    4H-SiC MESFET应用最多是微波领域，比如L，S，X波段，因为在这些高频领域MESFET比其他结构性能更加优异。SiC MESFET目前已经正式应用于美国海军新一代预警机E2D[8]。不过近年来，GaN HEMT器件有赶超SiC MESFET的态势，因为GaN本身的工作频率会比SiC高，但还存在可靠性问题。
（4）碳化硅绝缘栅双极型晶体管（SiC IGBT： Insulated Gate Bipolar Transistor)
SiC IGBT综合了GTR（电力晶体管）和MOSFET的优点，简单的栅驱动，较大的通流能力使其在高压应用领域有很好的前景。它被视为未来高压应用中潜力最大的功率开关，拥有优良的导通性能。一般可分为P沟道IGBT和N沟道IGBT。在实际使用中，将SiC JBS反向并联于SiC IGBT中，可以实现SiC混合IGBT，见图9[21]。具体应用举例如下：
 

列车牵引系统：中车公司在下一代地铁列车中使用SiC混合IGBT模块（Si功率器件和SiC），实验证明，与普通IGBT相比，SiC混合IGBT的功耗约减小30%，开关频率的提高也有效降低了输出谐波，减小了电机脉动转矩，使整个系统的效率提高[22]。
可编程驱动板：三菱公司已经开发了SiC IGBT可编程驱动板，可实现电气隔离，驱动放大，保护和故障反馈等功能。
格锐公司展示了他们在超高电压4H-SiC IGBT上的最新进展。产品参数规格如下：4H-SiC P沟道型IGBT，芯片尺寸6.7mm×6.7mm，活性面积为0.16cm^2，阻断电压15kV，室温导通电阻24mΩ•cm^2，栅极偏压-20V。相同面积的4H-SiC N沟道IGBT阻断电压可达12.5kV，室温导通电阻5.3mΩ•cm^2，栅极偏压20V。2016年，北卡罗来纳州立大学的Saleh Kargarrazi等人研发了15kV/20A SiC混合IGBT，见图10[23]。
 
（5）碳化硅双级结型三极管（SiC BJT：Bipolar Junction Transistor）
SiC BJT作为双极性器件，具有很好的通流能力。同Si BJT比较，具有高温工作能力和较大的安全工作区，同时避开SiC MOSFET的低可靠性和低迁移率，可以应用在快速驱动电路中。
格锐公司展示了一个4kV/10A的BJT，其有源区域的电流增益为34，芯片面积4.24mm×4.24mm，50μA的漏电流，阻断电压4.7kV，室温下的开通和关断时间分别为168ns和106ns。不过由于在基极-发射极区存在堆垛层错，SiC BJT在正向应力下会出现电流增益和正向电压降退化，从而阻碍了这些元件的商业化生产。2018，Kasunaidu Vechalapu等人使用4H-SiC BJT技术制造了可在500℃下工作的（2A）线性稳压器，工作范围25-500℃，见图11[24]。
 

SiC BJT器件存在类似PiN整流器的可靠性问题，且驱动电路和主流的Si器件电路不能直接替换，需要开发新的驱动电路，所以应用规模不是很大[25]。
（6）碳化硅门可关断型晶闸管（SiC GTO：Gate Turn-Off Thyristor）
SiC GTO和的Si晶闸管（4-6kV）相比，减少了2-3倍的串联连接部件，可以极大减小系统体积，同时开关频率约是后者的10倍，同时具有较低的反向漏电流[26]。此外它具有快速开关，比SiC MOSFET 更低的导通电阻，比Si IGBT和SiC IGBT更低导通压降、功耗等特性。多应用于逆变器和脉冲功率领域。SiC GTO还受益于电导率调制和正向压降的负温度系数。
2012年，田中等人研发了一种性能很高的结构SiC GT（SiC换向栅极关断晶闸管），其横截面如图12所示[27]。该SiC GT为4.5mm，120A，芯片面积为8mm×8mm，涂有新的高耐热树脂，能在400℃下工作。2013年，电力电子APEC会议上，Leonid Fursin等人展示了7.5kV的4H-SiC GTO功率转换器[28]。
 
SiC GTO的PNPN结构会使GTO对dV/dt变化敏感，从而引起误导通，所以关断的时候需要增加限制dV/dt的缓冲器。为了克服以上缺点，提高器件动态特性，以SiC GTO为基础，国际上提出了SiC ETO（发射极关断晶闸管）。2015年，SONG X等人研发了芯片面积为2cm2的22kV SiC ETO[29]。图13为6500V SiC ETO的测试原理及实物图[30]。
 
（7）SiC功率模块
    功率模块的应用十分广泛，它一般由几个或多个SiC器件组合而成，有的还加上Si器件，基本上上述器件应用的领域功率模块都可以使用。不过更为重要的是，功率模块的使用可以减小装置体积，降低产品的成本，同时提高可靠性。功率模块另一个优势是，对工作频率较高的电路，可以大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。
3 存在问题
SiC器件的提出已有很多年，虽然本身材料性能优异，前景广阔，不过它的真正应用依然存在问题。比如：工艺技术、器件建模、电热表征工具、器件封装、可靠性问题、商业化生产、使用寿命等。以下是对几种影响大的问题的介绍。
工艺技术：SiC大块材料的生产和生产工艺已经取得了比较大的进步，高质量SiC晶片也因为低密度微管的出现得到解决[5]。不过还有密度缺陷，外延层厚度等问题。现在一部分SiC器件已经可以商业化生产。不过其成本还是比同类Si器件高很多。
器件建模：材料的缺陷对器件的工作影响很大，尤其是时间越长表现越明显。所以，当我们打算对当前器件的实际特性建模时，要注重考虑这个问题。为了分析和评估其对电路和系统性能的影响, 需要建立宽禁带电力器件的紧凑型模型。可用的紧凑型模型，就是能够与电路级仿真器兼容的模型[31]。
电热表征工具：（tool for the analysis and characterization of electrothermal behavior of semiconductor structures and devices）分析和描述半导体器件或结构的电热性能的工具。2D/3D器件模拟（2/3-D device simulation）和计算机辅助设计（CAD）[32]。
器件封装：器件封装是制约SiC器件发展的重要因素。SiC器件本身可以工作在600-700℃的环境下，然而封装它的材料尚不能在同等温度下工作，整体模块工作温度受制于封装材料。
实际电路问题：2018年电力电子APEC会上，来自英国剑桥大学和美国阿肯色大学的学者们提出，在实际的宽禁带半导体器件电路中需要注意电感和电容的使用，达到减小电路体积和提高效率的目的，这需要实际的硬件操作，而不是简单复制同类Si器件电路。
4 小结
和同类型材料相比，SiC材料性能比较优异。经过几十年的发展，SiC功率器件已经普遍应用到高压、高温、大功率等场合，涉及汽车、飞机、智能电网、光伏等新能源产业，发展势头迅猛。
功率二极管中，SBD的发展现状和发展前景最好，实现了成本和性能最佳匹配，目前各大半导体公司基本上都可以提供各种类型的SBD，价格比同类型Si器件尚有差距。JBS和PiN虽然反向漏电流较小，但是优势不明显，成本较大，还处于研发改进阶段。
功率开关中，MOSFET的发展最好，各大半导体公司基本上都有其产品，在Si器件中，MOSFET的优势就很明显，具有高温、高压工作能力的的MOSFET就更具有竞争力。同MOSFET相似的MESFET则广泛应用在微波领域，军用较多。另一种在Si器件中较为突出的IGBT在高压领域具有自己独特优势，今后会在高压器件方面有所突破。作为单极开关的JEFT也有自优点，比如更适合用在光伏逆变器中，使损耗最低。BJT则因为自己较好的通流能力在快速驱动电路中应用很多，不过因为本身驱动电路的限制，应用领域受限。最后，GTO具有快速关断的性能，不过由于动态特性不佳，ETO可能会逐渐取代它的地位。
总体来说，SiC器件将在高温、高压、高开关频率、高功率密度领域发挥它独特的能力，不过前提是要解决好三大问题：优质材料生产（尤其是漂移区见图14[33]）、电路设计、器件封装。预计在不久的未来，电力电子将进入SiC时代。
 

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