SiC電力電子器件的發(fā)展及其應(yīng)用概述

黃 帥

（貴州銅仁學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，貴州銅仁，554300）

電力電子技術(shù)的誕生是以晶閘管的出現(xiàn)為標(biāo)志的，截至目前，電力電子器件的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷60多年的發(fā)展，歷史表明每一次電力電子功率器件的革新都會引發(fā)工業(yè)界的一場技術(shù)革命。在上個(gè)世紀(jì)90年代開始以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料及其功率半導(dǎo)體器件開始得到了快速發(fā)展。SiC與Si材料相比，具有3倍以上的禁帶寬度，3倍以上的熱導(dǎo)率且其結(jié)溫達(dá)250℃，10倍以上的擊穿電壓和2倍以上的載流子飽和速度[1]，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，被認(rèn)為是適合于在-75－550℃范圍內(nèi)工作的高功率器件的材料[2]。經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，SiC材料理論及其生產(chǎn)制造工藝都得到了不斷發(fā)展和完善?；赟iC的各種功率器件被開發(fā)出來[3-7]。而SiC基的JBS（Junction Barrier Schottky）二極管和額定電壓為600-1700V功率開關(guān)器 件，如 MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）, JEFT(Junction Field Effect Transistor）,BJT(Bipolar junction Transistor）等，都也已經(jīng)得到商品化[8,9]?；谏唐坊腟iC基的功率半導(dǎo)體器件的電力模塊也得到了廣泛的開發(fā)和研究。

電力電子器件的損耗既是整個(gè)電力電子裝置損耗的主要組成部分，又對整體系統(tǒng)的效率和成本有著很大的影響。電子電子器件的損耗主要包括導(dǎo)通耗損和開關(guān)耗損兩個(gè)部分，前者主要是由電力電子器件的通態(tài)電阻決定的，后者則主要是由驅(qū)動(dòng)回路和器件本身的電感、電容等參數(shù)決定。SiC基的電力電子器件由于其垂直有源層比Si基器件薄很多，因而其導(dǎo)通電阻很低，因此導(dǎo)通損耗比較低。相對于Si基器件而言，SiC基的電力電子器件的損耗優(yōu)勢在于其非常低的開關(guān)損耗。本文將從開關(guān)損耗的角度，對SiC基的JBS二極管、JEFTs、BJTs和MOSFETs的特性和應(yīng)用作簡要概述。

1 SiC基JBS 二極管的特性和應(yīng)用

SiC基JBS 二極管的剖面結(jié)構(gòu)如1所示，其陽極（Anode）可以采用Ti作為肖特基金屬，陰極（Cathode）則可以采用硅化的Ni。JBS 二極管是實(shí)用化程度最高的SiC基電力電子器件。但由于是一種不可控的電力電子器件，二極管在電力電子模塊中主要是和其他的開關(guān)器件作反并聯(lián)使用。與Si基耐高壓的PIN二極管相比而言，SiC基JBS 二極管是一種多子器件，工作時(shí)在結(jié)處不存在少數(shù)載流子的積累，因此在電子開關(guān)關(guān)斷的過程中就沒有反向恢復(fù)電流，可以減小關(guān)斷損耗，同時(shí)在開通過程中也能減小與之并聯(lián)的開關(guān)器件的損耗。W.Erdman等人在2.3MW中壓三級風(fēng)能變換器的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，采用SiC基JBS二極管模塊取代4.5-kV的Si基PIN二極管，而功率開關(guān)器件仍采用Si基IGBT，使變換器的開關(guān)損耗減小了10kW數(shù)量級[10]。而當(dāng)SiC基JBS二極管和其它的SiC基電力電子器件一起使用時(shí)，將獲得更大的開關(guān)損耗降低。

現(xiàn)有SiC基電力電子器件都是基于4H-SiC制造的，但其制備溫度高，成本大，難以獲得大尺寸的基片，使SiC基電力電子器件在中低壓范圍內(nèi)相對于Si基IGBT和PID二極管而言，并無明顯優(yōu)勢。因此，F(xiàn).Li等人也研究了基于3C-SiC材料橫向結(jié)構(gòu)的二極管[11]。

2 SiC基MOSFET的特性和應(yīng)用

眾所周知，MOSFET是一種單極性器件，特別適合于工作在高頻率開關(guān)變換系統(tǒng)中。當(dāng)前電力電子變化系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的Si基IGBT器件的開關(guān)頻率只有10-20kHz，因?yàn)殡S著開關(guān)頻率的進(jìn)一步增加，其開關(guān)損耗會急劇增加。SiC 基的MOSFET由于沒有拖尾電流和更低的開關(guān)損耗，使其可工作在比Si基IGBT更高的頻率范圍內(nèi)，可達(dá)幾百kHz。

SiC基MOSFET的一種典型的剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示[12]，其制備過程中的關(guān)鍵因素是對JD區(qū)域的摻雜控制和柵極氧化物絕緣層與4H-SiC表面之間的處理。JD的區(qū)域的摻雜控制不僅影響整個(gè)器件的導(dǎo)通電阻，而且對導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)也有非常大的影響，進(jìn)而對器件的損耗特性產(chǎn)生影響。柵極氧化物絕緣層與4H-SiC表面之間的處理則關(guān)系到MOSFET器件的成敗[1,13]。在氧化物絕緣層與4H-SiC表面很難獲得完美的表面，通常在4H-SiC表面存在較大的界面態(tài)密度，這些界面態(tài)會俘獲表面導(dǎo)電溝道內(nèi)的載流子，限制了表面載流子的遷移率，使得導(dǎo)通電阻非常大，進(jìn)而限制了MOSFET器件的實(shí)際應(yīng)用。目前，常用的表面處理方法為在Al2O3和4H-SiC之間增加一薄層SiO2，使界面性能得到較好的改進(jìn)，也使得SiC 基MOSFET得以商業(yè)化。

基于SiC基MOSFET的電力電子變換系統(tǒng)也得到了深入地研究，與基于Si基IGBT的變換系統(tǒng)相比，在100-200kHz的高頻范圍內(nèi)，獲得了50%以上的開關(guān)損耗降低[14,15]。盡管如此，SiC基MOSFET的高頻開關(guān)過程會出現(xiàn)較大的電壓或電流過沖，或者產(chǎn)生高頻振蕩，從而給器件較大的電應(yīng)力，或者產(chǎn)生EMI（Electric Magnetic Interference）問題。且與Si器件相比，由于其具有較高的di/dt、dV/dt能力，SiC基MOSFET開關(guān)特性更敏感的依賴于其寄生參數(shù)。柵極驅(qū)動(dòng)最大電流、柵極電阻、開關(guān)回路的雜散電感以及共源電感都會影響到SiC基MOSFET的高頻開關(guān)特性。為此，圍繞SiC基MOSFET的高頻驅(qū)動(dòng)問題，也有很多研究工作得到了開展[16-18]。

圖2 SiC基MOSFET的剖面結(jié)構(gòu)

隨著SiC基MOSFET制備技術(shù)的改進(jìn)和驅(qū)動(dòng)問題的解決，其將在電力電子的高頻開關(guān)領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。

3 SiC基JFET的特性和應(yīng)用

SiC基JFET也是一種耐高壓的單極性器件，導(dǎo)通電阻低，具有比Si基IGBT更高的工作頻率。其器件結(jié)構(gòu)較SiC基MOSFET簡單，制備工藝更為完備，是目前SiC基器件中得到最為廣泛應(yīng)用的全控器件。它也是電壓控制型器件，有常開和常閉兩種基本類型。

目前SiC基JFET在應(yīng)用中存在以下問題：1）由于4H-SiC材料制備需要經(jīng)過達(dá)2000℃的高溫處理，其單片尺寸只能做到6英寸[11]，因此單片4H-SiC制成的JFET功率負(fù)荷有限，在大功率電力電子變化系統(tǒng)中就需要將多個(gè)分離的JFET器件并聯(lián)使用，各個(gè)器件的參數(shù)很難匹配，這會引起并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的問題[19,20]；2）由于SiC基JFET的導(dǎo)通電阻是通過減小有源層厚度獲得的，因此其寄生參數(shù)都較大，并會對開關(guān)特性產(chǎn)生影響，這對于其高頻驅(qū)動(dòng)同樣會帶來問題；3）對于常閉型JFET，若要獲得較低的開通電阻，柵極需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，這會增加其損耗。

4 SiC基BJT的特性和應(yīng)用

SiC基BJT是一種雙極型器件，最大的特點(diǎn)在于其導(dǎo)通電阻低，能達(dá)到2.3mΩ·cm2，是現(xiàn)有SiC基電力電子器件中最低的。但其是電流驅(qū)動(dòng)型器件，開通時(shí)需要持續(xù)給基極提供電流，從而使其損耗較大。同樣由于受到材料芯片尺寸的限制，也存在多個(gè)分離器件并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)問題[21]。

5 結(jié)語

通過上述分析，可以發(fā)現(xiàn)，SiC電力電子器件雖已有商業(yè)化的器件供應(yīng)，但受限于大尺寸4H-SiC芯片的制備，其單個(gè)的器件很難做到足夠大的額定功率。在實(shí)際高電壓、高功率和高頻率的電力電子變換系統(tǒng)中的應(yīng)用，都需要將多個(gè)分離的SiC基分離器件并聯(lián)使用，這就使得在并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方面或多或少的都存在一些問題。隨著材料制備技術(shù)的完善和器件驅(qū)動(dòng)技術(shù)改進(jìn)，SiC電力電子器件將會得到更為廣泛地應(yīng)用。

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