SiC半導(dǎo)體材料的特性及其在艦船上的應(yīng)用

石緒忠

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所，洛陽471039）

1 引言

隨著艦船的全電力化進程，電力武器、通信、雷達的發(fā)展對發(fā)電、輸送、貯存、轉(zhuǎn)換和控制開關(guān)等使用的材料和器件提出了更高要求，傳統(tǒng)使用的Si半導(dǎo)體材料及器件已經(jīng)不能滿足高電壓、高頻和高溫條件下工作的需求，為適應(yīng)上述工作環(huán)境，需要開展SiC半導(dǎo)體材料和器件的研究。本文概述了SiC半導(dǎo)體材料的特性、現(xiàn)有器件的性能以及其在艦船上的應(yīng)用。

2 SiC半導(dǎo)體材料的特性

SiC由Si和C兩種原子構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)單元為正四面體結(jié)構(gòu)，大量的結(jié)構(gòu)單元在頂角相連結(jié)合，即構(gòu)成SiC晶體?；窘Y(jié)構(gòu)單元在空間堆垛順序的變化使SiC具有200多種同質(zhì)異構(gòu)體。兩種最常見的晶體結(jié)構(gòu)為4H-SiC和6H-SiC。

SiC半導(dǎo)體材料具有寬禁帶隙、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高飽和電子遷移率，高耐輻照等特點，可以制成體積小、重量輕的器件。它在海軍艦艇的高溫、高頻、大功率、光電子以及抗輻射器件等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。表1示出SiC與Si半導(dǎo)體材料性能的比較[1]。

表1 SiC與Si半導(dǎo)體材料的特性

SiC的應(yīng)用范圍之所以十分廣泛是由于它具有寬禁帶的特點，其碰撞離化能也高，在SiC中即使電場強度很高，也不出現(xiàn)離化載流子的雪崩倍增現(xiàn)象。它可以耐受8倍于Si的電壓或電場，特別適用于制造高壓大功率器件如高壓二極管、功率三極管以及大功率微波器件。

對高頻器件，飽和漂移速度是重要的材料參數(shù)，高飽和漂移速度對在微波器件中獲得高溝道電流是非常有利的。SiC中飽和電子漂移速度為2×107cm/s，是Si的2倍。對于相同的擊穿電壓要求，SiC器件的尺寸可以做的更小，信號的傳輸距離因而就更短，器件的運行速度就更快。而且SiC的相對介電常數(shù)是低于大多數(shù)半導(dǎo)體的，這就使SiC器件具有較小的寄生電容，這又有利于器件頻率特性的改善，因此，SiC是高頻固態(tài)器件的理想材料。

SiC是熱的良導(dǎo)體，導(dǎo)熱特性優(yōu)于任何其它半導(dǎo)體材料，這使得SiC功率器件能實現(xiàn)大熱量的散發(fā)而在高溫下工作，而且可以增加器件的功率密度。

SiC是非常硬的物質(zhì)，彈性模量為424 GPa，其硬度僅次于金剛石和碳化硼。SiC的熔點為2800℃（3.5MPa下），其熱穩(wěn)定性很高。SiC具有很大的化學惰性，室溫下幾乎不與其它物質(zhì)反應(yīng)。因此，SiC器件的可靠性高，可用于復(fù)雜或惡劣的環(huán)境[2]。

3 現(xiàn)有的SiC器件

SiC特別適用于制作高溫、高頻、高功率、抗輻射、抗腐蝕的電子器件。目前的SiC器件主要有以下幾類：

3.1 肖特基器件

SiC肖特基二極管已實現(xiàn)商品化，其使用電流可達10 A。Cree、Si CED和Rockwell科學公司都銷售肖特基器件。Cree公司最近成批生產(chǎn)的器件已經(jīng)達到如下性能：在1200 V的反向偏壓下，25℃時的漏電流為50 μA，200℃時的漏電流為100 μA。

3.2 單極型功率器件

場效應(yīng)晶體管（FET）包括門極絕緣型FET（MOSFET）和面結(jié)型FET（JFET）兩大類，屬于單極型功率器件。傳統(tǒng)Si基MOSFETs受到電壓和頻率使用的限制，因為導(dǎo)電電阻隨擊穿電壓的平方快速增加，即RONV∝BR2.5。SiC MOSFET具有低比導(dǎo)通電阻，高工作頻率和高溫工作穩(wěn)定性的優(yōu)點，已制成的SiC MOSFET由平行的3片1.6 mm×1.6 mm芯片組成，大約是Si基MOSFET同樣面積導(dǎo)態(tài)電阻的1/30，而且SiC MOSFET通態(tài)電壓隨溫度的變化比較穩(wěn)定，從25℃提高到175℃，在5 A下VF僅提高0.3 V。2009年SiC MOSFET晶體管已經(jīng)量產(chǎn)。

幾家主要器件制造廠集中于SiC JFETs的生產(chǎn)。Cree和Si CED等兩公司正集中于高壓JFETs的生產(chǎn)。相反，聯(lián)合SiC公司和SemiSouth 實驗室則集中于低壓器件。目前SiC JFETs 已達到在500℃下工作2000 h而無衰減的性能[3]。SiC JFETs在全負載電流下的輸出效率已達98%，比Si JFETs高出很多。

3.3 雙極型功率器件

晶閘管是最堅固的有源器件，起到單向整流和控制開關(guān)作用。已制造出1×1 cm 4H-SiC器件晶閘管，在100 μA時的正向阻斷電壓為5.2 kV，其開關(guān)時間小于2000 ns，比同等類型Si 晶閘管的速度快10倍以上，并且不需要保護用的緩沖電路。

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）應(yīng)用于交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。SiC IGBT特別適合于柵極驅(qū)動，Cree已經(jīng)研制出12 kV SiC n-IGBT增壓器，輸入516 V，1.41 A，728 W，可輸出5 kV，0.12 A，617 W，轉(zhuǎn)換效率高達85%。

4 SiC器件在國外艦船上的應(yīng)用

美國國防部已經(jīng)積極研發(fā)SiC半導(dǎo)體材料及其器件和功率模塊，并將這些技術(shù)應(yīng)用到新型航空母艦 CVN-21、多用途導(dǎo)彈驅(qū)逐艦 DD(x)及艦船雷達上，以達到減輕重量、降低重心、減少體積、減少能量損耗和提高可靠性等目的。

4.1 航空母艦固態(tài)變電站上的應(yīng)用

新型航空母艦 CVN-21級首艘福特號（CVN-78）將是第一艘配備電磁彈射系統(tǒng)（EMALS）的航母，四個電磁彈射系統(tǒng)均靠電力驅(qū)動，能在100 m的距離內(nèi)把飛機的速度提高到240 m/s。該航空母艦的區(qū)域配電系統(tǒng)由2.7 MVA固態(tài)變電站（SSPS），13.8 kV總線和xfmr（變電器）-電動機等部分組成。根據(jù)航空母艦配電系統(tǒng)的要求，已進行了SiC基固態(tài)變電站的研究。研究 SiC器件為基的固態(tài)變電站可以實現(xiàn)下列效益：1）減輕重量和減少體積；2）改善和實現(xiàn)精確的電壓調(diào)節(jié)；實現(xiàn)功率因素為 1，使電力效率提高20%；3）實現(xiàn)快速故障檢測、保護；4）容易貯存能量并裝有多個抽頭的直流配電和輸出。

美國國防高級研究計劃局（DARPA）制訂了寬能隙帶SiC高功率電氣設(shè)備計劃，將SiC半導(dǎo)體制成的器件和組合模塊，組成固態(tài)變電站以滿足新型航空母艦CVN78的配電系統(tǒng)的需要[4]。表2示出 DARPA制訂的高功率電子設(shè)備計劃實施時間表，計劃共分為四個階段，涉及SiC材料的研制（晶片和提高外延合格率），SiC器件制造演示、20 kHz變壓器和固態(tài)變電站設(shè)計、制造、演 示，以及系統(tǒng)分析、船上設(shè)計及集成等內(nèi)容。

表2 高功率電子設(shè)備計劃實施時間表

圖1示出DARPA HPE計劃第III階段常規(guī)變壓器改造成SiC基變電站。對于航空母艦電力系統(tǒng)的要求的2.7 MVA固態(tài)變電站系統(tǒng)，與模擬式低頻傳統(tǒng)變壓器相比，采用新型數(shù)字式SiC基固態(tài)變電站后，轉(zhuǎn)換電源的工作頻率可從60 Hz提高到20 kHz，單臺重量從6 T降低到1.7 T，體積從10 m3減小到2.7 m3，輸出方式由固定單項輸出改善為多抽頭輸出，使其電能質(zhì)量，可恢復(fù)性，重量、體積、模塊和與 CVN21電力系統(tǒng)的兼容性最佳化。

圖1 常規(guī)變壓器改造成SiC基變電站（DARPA HPE計劃第III階段）

根據(jù)建造艦只計劃，CVN 78艦的設(shè)計和建造將繼續(xù)與SSPS開發(fā)同時進行。為了支持造艦計劃，SSPS必須與15 kV/450 VAC電力變壓器一樣的組成，安裝和功能。而SSPS中SiC功率模塊則是不可或缺的。

4.2 導(dǎo)彈驅(qū)逐艦綜合電力系統(tǒng)上的應(yīng)用

艦船電力電子系統(tǒng)采用先進技術(shù)已經(jīng)成為下一代全電船，諸如美國海軍 DDG-1000“朱姆沃爾特”級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的計劃，設(shè)計和制造的焦點。DDG-1000要求數(shù)兆瓦的電力控制，分配和綜合電力系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換[5]。

EMPE公司目前正在執(zhí)行由NAVSEA主持的“先進海軍綜合電力系統(tǒng)的研究與開發(fā)項目”，該項目將研究重點放在一系列先進電力電子硬件裝置上[6]。目前正評估這些裝置的性能以測定直接在高功率海軍應(yīng)用這些新技術(shù)的效果。為了評價這些新型先進技術(shù)，該課題分成3個支任務(wù)：纖維光學和先進傳感器，寬帶隙器件和先進熱交換器。這些新的先進技術(shù)有潛力增加系統(tǒng)的可靠性，增加功率密度并改善系統(tǒng)監(jiān)控性能。EMPF將在海軍DDG 1000綜合電力系統(tǒng)內(nèi)實施這些技術(shù)。

綜合電力系統(tǒng)（IPS）把推進的發(fā)電和艦船上其它使用諸如武器系統(tǒng)與艦船雷達系統(tǒng)結(jié)合起來。電源狀模塊（PCM-1,2和 4）用于通過綜合電力系統(tǒng)一個積木的電源綜合防治。PCM-4包括直流電源的推進，在PCM-1上艦船服務(wù)電源轉(zhuǎn)換模塊（SSCMs）轉(zhuǎn)換成較低直流電壓輸出。PCM-2包括 DC-AC逆變器（艦船服務(wù)變換器模塊SSIMs）要求在額定兆瓦范圍內(nèi)。目前使用具有額定100 kW功率的Si IGBT模塊。近來EMPF公司研究用P-Spce模型軟件比較Si IGBT模塊和SiC VJFET的性能。在測試線路中類似能源轉(zhuǎn)換模塊 PCM 支系統(tǒng)，對飽和電流，電壓，瞬態(tài)時間和功率消耗進行了比較。在大多數(shù)情況下建模結(jié)果揭示當用SiC器件代替Si器件時其性能得到很大改善。在測試線路中用 SiC VJFET代替 Si IGBT，功率消耗改善25倍。SiC VJFET開關(guān)速度比Si IGBT更快，由于SiC VJFET的瞬變時間比Si IGBT的短200倍以上。

4.3 艦船雷達用上的應(yīng)用

未來的海軍艦載雷達系統(tǒng)（AEGIS-DD(X)，LCS）將需要高功率，高穩(wěn)定性，快速的射束轉(zhuǎn)換。目前使用最好的的鐵氧體高功率移相器技術(shù)仍不能滿足未來海軍雷達對開關(guān)速度、大小和成本的要求。自2004年以來F&H ASA公司一直在開展用于高功率微波控制元件和放大器的SiC器件的工作。這一成功的努力導(dǎo)致了基于一種新型而特有的碳化硅PIN二極管的高功率移相器的發(fā)展。目前F&H 研發(fā)的5位移相器目標是500 W的峰值功率和10%的占空比，10 μs快速開關(guān)，1dB的插入損耗和在S波段20%的帶寬。圖2為F&H ASA公司研制的艦載雷達用SiC基3比特高功率相移器[7]。

圖2 艦載雷達用SiC基固態(tài)高功率相移器

洛克希德·馬丁公司已經(jīng)成功的展示了其內(nèi)部開發(fā)的可升級的固態(tài) S波段雷達（S4R）工程開發(fā)模型（EDM）。S4R EDM是一種有源的、電子控制的、基于天線的雷達系統(tǒng)，可以進行升級以支持多種任務(wù)，其中包括空中監(jiān)視、巡航導(dǎo)彈防御、彈道導(dǎo)彈防御、目標采集以及濱海作戰(zhàn)。這種設(shè)計的來源是為美國海軍下一代驅(qū)逐艦DDG-1000開發(fā)的大體積搜索雷達。

S4R EDM的開發(fā)使用了基于碳化硅（SiC）的高功率收發(fā)（T/R）模塊。由于熱容高，所以碳化硅可以提供比其他通用材料高得多的功率；由于功率提高了，所以雷達的探測范圍也增加了，并且可以提供更加精確的目標識別能力。

此外，SemiSouth實驗室從ONR得到價款260萬美元的合同，用于大功率雷達系統(tǒng)的SiC 射頻晶體管的制造工藝的開發(fā)[8]。

4.4. 艦船上的其它應(yīng)用

SiC器件還可以實現(xiàn)在要求機械速度下的電力武器和武器裝備使用的脈沖功率系統(tǒng)中功率的控制。SiC在特定超高壓的應(yīng)用包括混合電力戰(zhàn)車（變換器和電動機驅(qū)動），脈沖功率（軌道炮和直能武器）以及主動電子戰(zhàn)，誘捕，搜索器等。

5 結(jié)束語

本文對SiC材料的結(jié)構(gòu)、性能進行了介紹，分析了目前碳化硅器件的發(fā)展情況，并主要介紹了SiC器件的在艦船上的潛在應(yīng)用。

美國根據(jù)海軍先進艦船需要而制訂了寬帶隙半導(dǎo)體高功率電子器件計劃，從 SiC 材料的制備，器件和模塊的制造到固態(tài)變電站的演示的一體化研發(fā)工作是值得我們借鑒的。該國著名 SiC材料和器件生產(chǎn)公司以及有關(guān)高等院校、研究所等大力協(xié)作，緊緊圍繞SiC器件在新型艦船上的應(yīng)用研究工作也是值得學習的。我國應(yīng)根據(jù)艦船需要，將進一步開發(fā)電源轉(zhuǎn)換和控制用大功率、高壓、高頻和高溫、抗輻照和耐腐蝕的電力電子器件。

[1] High-Voltage, High-Frequency Devices for Solid State Power Substation and Grid Power Converters, Allen R.Hefner, 2009.

[2] 王占國, 陳立泉, 屠海令. 信息功能材料工程（上）[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2006:576.

[3] David J Spry. Fabrication and Testing of 6H-SiC JFETS for Prolonged 500 ℃ Operation in Air Ambient.Materials Science Forum, 2009,600-609,1079-1082.

[4] David Grider. SiC Power Device and Material Technology For High Power Electronics, High Megawatt Power Technology R&D Roadmap Workshop April 8, 2008.

[5] Mchael D. Frederickson. Wide Band Gap Semiconductors for Power Electronics, February 2007.

[6] Paul Bratt. IPS for the DDG 1000, February, 2007.

[7] Robert Fischl. SiC-based Solid State High Power Phase Shifters, F&H Applied Science Associate, Inc,1-5.

[8] Yaraslov Koshka. ECE Profe Dow Corning wins US Navy Funds for SiC Development, Mississippi State University, 27 Mar 2009.