试析碳化硅电力电子器件发展及其应用

摘要：电力电子技术包括半导体功率器件技术、功率变换技术及控制技术等，但以往的电力电子器件的制成材料都是硅半导体材料，近些年来随着科学技术的发展，越来越多具有优良性能的新型化合物半导体材料应用于电力电子器件的制造中。文章对碳化硅材料的应用优势进行了介绍，并对碳化硅材料在电力电子器件中的发展和应用前景进行了分析。

关键词：碳化硅材料；电力电子器件；硅半导体材料；新型化合物；高频大功率器件 文献标识码：A

中图分类号：TN387 文章编号：1009-2374（2015）36-0037-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.36.017

相较于硅器件，碳化硅主要具有稳定性良好、热导率高、载流子饱和漂移速度高等优点，可以制作各种耐高温的高频大功率器件，由于碳化硅材料的这种良好的使用性能，所能达到的使用效果是以往硅器件所达不到的，从而成为当前发展最成熟的宽禁带半导体材料。由于碳化硅材料可以在温度超过600℃的工作环境中保持良好的工作状态，对工作环境具有更高的适应性，同时在额定阻断电压相同的前提下，碳化硅材料所制成的功率开关器件与以硅材料所制成的器件相比，不仅具有更高的工作效率，其也具有更低的通态比电阻，基于以上优点使得碳化硅材料在电力电子器件的制作中被广泛

应用。

尽管碳化硅器件面积由于受到自身晶格缺陷的限制而远不能与硅器件相比，产量、成本以及可靠性方面也对碳化硅器件的发展具有一定的阻碍，但自从1990年直径30mm的碳化硅单晶片上市以来，随着科技的迅速发展，各种高品质的碳化硅应用技术被研究、开发出来，碳化硅材料在电力电子器件中的应用范围也逐渐在扩大，并使得其在部分电力电子技术领域逐渐替代了以往的硅器件。近些年来，在美国、德国等各大公司以碳化硅材料发明生产了许多的电力电子器件，这些器件都具有反向恢复时间短、反向漏电流极小、高温条件下工作状态没有明显改变等优点。特别需要提到的就是肖特基势垒二极管，以碳化硅材料制造的比以往由硅和砷化镓材料制造而成的肖特基势垒二极管适用范围从250V提高到了1200V，相信随着科学技术的不断提高，其使用范围将会更大，这在电力电子器件的发展中是一个质的提高。同时由于使用碳化硅材料所带来的整体效益明显高于碳化硅与硅器件之间的制作成本差异，相信在不久的将来，在电力电子器件的制造中碳化硅的使用将会更加广泛，电力电子器件也将会具有更高的使用性能。

1 在电力电子器件中关于碳化硅研发工作的进展

随着碳化硅器件在电力电子中的应用越来越广泛，使得关于碳化硅的研发工作进展也不断加快。图1表示碳化硅器件研发进程中肖特基势垒二极管和碳化硅pn结二极管阻断电压和场效应器件品质因子（FM）的最高水平随时间递增的情况：

通过图1可以发现，在进入新世纪以来，电力电子器件基本性能参数增长相较以前更为迅速，对场效应器件的研发进展更加明显，证明场效应器件具有巨大的发展潜力。

在电力电子器件的应用方面，由于浪涌电流会引起器件结温的骤然升高，通态比电阻偏高的器件，其浪涌电流承受能力也会随之降低，因此电力电子器件在需要时尽可能降低静态和动态损耗外，还要注意提高浪涌电流的承受能力。同时单极功率器件的通态比电阻随阻断电压的提高而增加，尽管硅器件具有较好的性能价格比，但这也是需要电压的等级控制在100V以内，从而使得难以满足高频应用的需要，如果使用碳化硅器件制造单极器件，其通态压降将会低于硅双极器件，纵使在阻断电压高于10kV的前提下，其结果也是一样，单极器件在工作效率等方面相较于双极器件具有更加明显的优势，同时肖特基势垒二极管能够更好地促进碳化硅电力电子器件的商品化进程，因此在碳化硅电力电子器件的研究和开发过程中，首先就要重点进行肖特基势垒二极管的研究和开发。

1.1 碳化硅肖特基势垒二极管（SBD）

在全世界中首次研制成功出了6H-SiC碳化硅肖特基势垒二极管是由美国北卡州立大学功率半导体研制中心所最先报道，这类二极管的阻断电压为400V，通过短短两年的发展就将阻断电压提高到了接近理论设计值（1000V），同时随着在欧洲、亚洲等地对碳化硅肖特基势垒二极管研究的投入，使得使用材料变为4H-SiC，阻断电压获得更大的进步。

当前碳化硅肖特基势垒二极管的阻断电压已经达到10000V以上，大电流器件的通态电流为130A，其阻断电压达到5000V。这种碳化硅肖特基势垒二极管主要采用了n型高阻厚外延片，同时在肖特基势垒接触和欧姆接触中使用了镍，该器件的尺寸也较小，肖特基势垒接触的直径只有300um，且采用了大面积的芯片。在碳化硅肖特基势垒二极管中，若肖特基上的金属是铂，同时为降低阳极电流的扩散电阻而在铂金属上再蒸镀2um的金膜，在背电极经过退化处理的这种器件不具备较好的反向特性，其漏电流随着电压的增加而增加。器件的反向特性与芯片的面积有关，芯片面积越低器件的反向特性越高。同时根据研究者的研究表明，JBS结构在降低碳化硅肖特基势垒二极管的反向漏电流以及改善其正向特性中都具有很好的效果，同时兼顾正反向特性的优化设计已经将碳化硅肖特基势垒二极管的JBS结构的通态比电阻相较于硅器件理论值的1∶400。

1.2 碳化硅场效应器件

碳化硅功率金属-氧化物-半导体场效晶体管的开发优势就是能够兼顾阻断电压和通态比电阻，随着1994年首次报道的碳化硅功率金氧半场效晶体管耐压只有250V，短短四年时间其阻断电压就提高到了1400V，同时采用栅增强功率结构设计，可以进一步提高阻断电压，降低通态比电阻。近年来人们充分挖掘了碳化硅材料在场效应器件方面的应用潜力，对结型场效应晶体管的结构也做了很多改良，从而减少了结型场效应晶体管常规工艺流程中的碳化硅外延生长这道高难度工序，同时还在器件结构中取消了横向结型场效应晶体管栅，从而使器件的通态比电阻有所下降，使得场效应器件品质因子也获得了提高。

1.3 碳化硅双极型器件

用硅材料是不可能做出耐压十分高的器件，但碳化硅却可以制造阻断电压很高的双极器件，例如pn结二极管和晶闸管等。与肖特基势垒二极管相比，pn结二极管更容易提高阻断电压和经受大电流冲击的能力，同时随着碳化硅品质的提高和各种终端保护技术的采用，使得碳化硅pn结二极管的阻断电压持续升高。由于受到材料的微管密度较高，没有大面积芯片可用的限制，使得一些高压4H-SiCpn结二极管器件的正向电流都比较小。

随着碳化硅器件的使用性能越来越广泛，研发碳化硅双极晶体管成为了当前的发展方向，开发碳化硅双极晶体管的关键问题就是提高电流增益，采用外延层作基区，用离子注入形成发射极的方法可以提高电流的增益，同时采用达林顿结构也会获得更高的电流增益。

晶闸管最能体现碳化硅材料特长是在兼顾开关频率、功率处置能力和高温特性方面，在阻断电压超过3000V的时候，碳化硅晶体管的通态电流密度则会更高，因此更适合于交流开关方面的应用。随着对碳化硅晶闸管研究的深入，使得普通的晶闸管逐渐淡化，而是向GTO方向集中对碳化硅晶体管的研究。

2 碳化硅器件在电力电子中的广泛应用

随着碳化硅材料制备技术的进展，使得碳化硅器件在电力电子中应用十分广泛，通过采用碳化硅材料所研制的器件种类也在逐年增加。早在1999年就有关于单向逆变器使用碳化硅pn结二极管以及将碳化硅开关器件和二极管同时应用于三项逆变器和单项PWM逆变器中的报道，同时近些年来在板桥PWM逆变器中使用碳化硅开关器件和二极管方面的应用研发工作也进行了有关的报道。碳化硅器件的应用范围广泛，例如碳关于化硅二极管就在1999年被报道制造成功了一个当时世界最高水平的碳化硅肖特基二极管，在1997年被报道已用结型势垒肖特基接触结构制成碳化硅功率整流器，制造出可探测火焰和爆炸辐射的碳化硅紫外光探测器。同时还有关于碳化硅结型场效应晶体管、具有较高击穿场强的金属-半导体场效应晶体管、静电感应晶体管以及碳化硅晶闸管的应用报道。

3 结语

由于碳化硅材料所具有的良好的使用性能和优良特性，使得人们对于碳化硅电力电子器件的研究和使用逐渐深入，但电力电子而言碳化硅材料的优势并不仅局限于能够提高器件的耐压能力，同时更重要的方面就是还能大幅度降低功率损耗，从而使得碳化硅电力电子器件的市场竞争力得到提高。同时碳化硅与硅在电力电子技术领域竞争中所存在的另一优势就是能够将兼顾器件的频率和功率以及耐高温，同时随着碳化硅器件的发展以及制造技术的进步，碳化硅材料在电力电子器件中的应用将会更加广泛，将会极大地推动器件的创新，碳化硅电力电子器件的应用前景将会充满生机。

参考文献

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作者简介：姜文海（1978-），男，山东莘县人，南京电子器件研究所高级工程师，博士，研究方向：半导体功率器件。