2014年碳化矽電力電子器件發展現狀分析

　　在過去的十五到二十年中，碳化矽電力電子器件領域取得了令人矚目的成就，所研發的碳化矽器件的性能指標遠超當前矽基器件，並且成功實現了部分碳化矽器件的產業化，在一些重要的能源領域開始逐步取代矽基電力電子器件，並初步展現出其巨大的潛力。碳化矽電力電子器件的持續進步將對電力電子技術領域的發展起到革命性的推動作用。隨著SiC 單晶和外延材料技術的進步，各種類型的SiC器件被開發出來。SiC器件主要包括二極體和開關管。SiC二極體主要包括肖特基勢壘二極體及其新型結構和 PiN型二極體。SiC開關管的種類較多，具有代表性的開關管有金屬氧化物半導體場效應開關管（MOSFET）、結型場效應開關管（JFET）、絕緣柵雙極開關管（IGBT）三種。

　　SiC電力電子器件中，SiC二極體最先實現產業化。2001年德國Infineon公司率先推出SiC二極體產品，美國Cree和意法半導體等廠商也緊隨其後推出了SiC二極體產品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產了SiC二極體。很多企業在開發肖特基勢壘二極體（SBD）和JBS結構二極體。目前，SiC二極體已經存在600V~1700V電壓等級和50A電流等級的產品。

　　參看中國報告大廳發布的《2011-2015年中國電力電子器件行業運營態勢與投資潛力研究報告》

　　SiC肖特基二極體能提供近乎理想的動態性能。做為單子器件，它的工作過程中沒有電荷儲存，因此它的反向恢復電流僅由它的耗盡層結電容造成，其反向恢復電荷以及其反向恢復損耗比Si超快恢復二極體要低一到兩個數量級。更重要的是，和它匹配的開關管的開通損耗也可以得到大幅度減少，因此提高電路的開關頻率。另外，它幾乎沒有正向恢復電壓，因而能夠立即導通，不存在雙極型器件的開通延時現象。在常溫下，其正態導通壓降和Si超快恢復器件基本相同，但是由於SiC肖特基二極體的導通電阻具有正溫度係數，這將有利於將多個SiC肖特基二極體並聯。在二極體單晶片面積和電流受限的情況下，這可以大幅度提高SiC肖特基二極體的容量，使它在較大容量中的應用成為可能。目前實驗室報導的最大容量的SiC二極體已經達到了6500V/1000A的水平。由於SiC開關管的發展相對二極體滯後，當前更普遍的做法是將SiC二極體和SiIGBT和MOSFET器件封裝在一個模塊中以形成大功率開關組合。目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon 公司、Rohm公司的SiC肖特基二極體用於變頻或逆變裝置中替換矽基快恢復二極體，顯著提高了工作頻率和整機效率。中低壓SiC肖特基二極體目前已經在高端通訊開關電源、光伏併網逆變器領域上產生較大的影響。

　　SiC肖特基二極體的發展方向是襯底減薄技術和TrenchJBS結構。襯底減薄技術能夠有效地減小低壓SiC肖特基二極體的導通電阻，增強器件浪涌電流能力，減小器件熱阻。Infineon公司於2012年9月發布第五代SiCSBD產品，首次採用襯底減薄技術。在SiC晶格里，JBS結構中離子注入p阱的深度受到限制（《1um），反偏條件下淺p-n結對肖特基結的屏蔽作用不是特別明顯，只有在相鄰p阱之間的間距較小時才能突顯出來，但同時帶來的正嚮導通溝道寬度變窄效應使得正嚮導通壓降顯著增加。為了解決這一問題，新一代SiC肖特基二極體的發展方向是TrenchJBS結構。Cree公司新一代SiC肖特基二極體同時採用TrenchJBS結構和襯底減薄技術，與傳統的JBS二極體相比，正反向特性都得到了改善，不僅增加了電流密度（晶片面積減小50%）;也提高了阻斷電壓（提高150V）和雪崩能力。

　　碳化矽JFET有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點，是目前發展較快的碳化矽器件之一，並且率先實現了商業化。與MOSFET器件相比，JFET器件不存在柵氧層缺陷造成的可靠性問題和載流子遷移率過低的限制，同時單極性工作特性使其保持了良好的高頻工作能力。另外，JFET器件具有更佳的高溫工作穩定性和可靠性。碳化矽JFET器件的門極的結型結構使得通常JFET的閾值電壓大多為負，即常通型器件，這對於電力電子的應用極為不利，無法與目前通用的驅動電路兼容。美國Semisouth公司和Rutgers大學通過引入溝槽注入式或者台面溝槽結構（TIVJFET）的器件工藝，開發出常斷工作狀態的增強型器件。但是增強型器件往往是在犧牲一定的正嚮導通電阻特性的情況下形成的，因此常通型（耗盡型）JFET更容易實現更高功率密度和電流能力，而耗盡型JFET器件可以通過級聯的方法實現常斷型工作狀態。級聯的方法是通過串聯一個低壓的Si基MOSFET來實現。級聯後的JFET器件的驅動電路與通用的矽基器件驅動電路自然兼容。級聯的結構非常適用於在高壓高功率場合替代原有的矽IGBT器件，並且直接迴避了驅動電路的兼容問題。

　　目前，碳化矽JFET器件以及實現一定程度的產業化，主要由Infineon和SiCED公司推出的產品為主。產品電壓等級在1200V、1700V，單管電流等級最高可以達20A，模塊的電流等級可以達到100A以上。2011年，田納西大學報到了50kW的碳化矽模塊，該模塊採用1200V/25A 的SiCJFET並聯，反並聯二極體為SiCSBD。2011年，GlobalPowerElectronics研製了使用SiCJFET製作的高溫條件下SiC三相逆變器的研究，該模塊峰值功率為50kW（該模塊在中等負載等級下的效率為98.5%@10kHz、 10kW，比起Si模塊效率更高。2013年Rockwell公司採用600V/5AMOS增強型JFET以及碳化矽二極體並聯製作了電流等級為25A的三相電極驅動模塊，並與現今較為先進的IGBT、pin二極體模塊作比較：在同等功率等級下（25A/600V），面積減少到60%，該模塊旨在減小通態損耗以及開關損耗以及功率迴路當中的過壓過流。

　　碳化矽MOSFE一直是最受矚目的碳化矽開關管，它不僅具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關性能、低導通電阻和高穩定性，而且其驅動電路非常簡單，並與現有的電力電子器件（矽功率MOSFET和IGBT）驅動電路的兼容性是碳化矽器件中最好的。

　　SiCMOSFET器件長期面臨的兩個主要挑戰是柵氧層的長期可靠性問題和溝道電阻問題。其中溝道電阻大導致導通時的損耗大，為減少導通損耗而降低導通電阻和提高柵氧層的可靠性的研發一直在進行。降低導通電阻的方法之一是提高反型溝道的載流子遷移率，減小溝道電阻。為了提高碳化矽MOSFET柵氧層的質量，降低表面缺陷濃度，提高載流子數量和遷移率，一種最通用的辦法是實現生長界面的氮注入，也被稱為界面鈍化，即在柵氧層生長過程結束後，在富氮的環境中進行高溫退火，這樣可以實現溝道載流子遷移率的提高，從而減小溝道電阻，減小導通損耗。降低導通電阻的方法之二是採用在柵極正下方開掘溝槽的溝槽型柵極結構。目前已經投產的SiCMOSFET都是「平面型」。平面型在為了降低溝道電阻而對單元進行微細化時，容易導致JFET電阻增大的問題，導通電阻的降低方面存在一定的局限性。而溝槽型在構造上不存在JFET電阻。因此，適於降低溝道電阻、減小導通電阻，但是Si溝槽型MOSFET目前尚未解決溝槽刻蝕之後側壁溝道的表面問題。

　　美國Cree和日本Rohm公司已經能提供業界領先的碳化矽的MOSFET器件。美國已經將碳化矽 MOSFET器件應用於開發2.7MVA的固態功率變電站，該固態功率變電站可能將被應用於美國下一代航空母艦CVN-21的配電系統中。採用全碳化矽功率模塊，可以使傳統的低頻（60Hz）變壓器轉變為高頻（20kHz）固態功率變電站，預計使變壓器的重量由6噸降低到1.7噸，體積從10立方米降低到 2.7立方米，大大提高艦船系統的性能。2012年，日本三菱電機通過使用碳化矽製造的MOSFET和肖特基二極體，研發出一個達11kW逆變器，它比基於矽器件製造的逆變器，降低能源損耗達七成，輸出功率為10W/cm3。日本三菱電機報導了使用強制風冷的三相400V輸出全碳化矽逆變器，採用了碳化矽 JFET和碳化矽肖特基勢壘二極體，這套裝置的功率密度達到了50kVA/升，遠高於傳統的矽基裝置。2013年3月美國Cree發布第2代 SiCMOSFET。與第1代產品相比，通過縮小晶片面積等手段壓縮了成本。以耐壓為1.2kV的品種為例，第2代晶片面積比第1代縮小了約40%。

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