高壓SiC功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展現(xiàn)狀與解決措施

趙剛

[摘 ? ?要 ]在高溫高壓高開關(guān)頻率的背景下，傳統(tǒng)硅材料器件很難在多種領(lǐng)域中有效的推廣出去，因?yàn)閭鹘y(tǒng)硅材料無法滿足長時(shí)間的使用，但是以碳化硅為代表的新型寬禁帶半導(dǎo)體材料則是能夠滿足高溫、高壓、高開關(guān)頻率的應(yīng)用，因此從某一角度進(jìn)行分析，碳化硅功率半導(dǎo)體的器件，突破了電力電子器件發(fā)展的瓶頸，在未來的過程中，高壓碳化硅功率半導(dǎo)體器件的將成為主要發(fā)展趨勢(shì)。本文主要針對(duì)高壓碳化硅器件的發(fā)展進(jìn)行簡單分析，并在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上探討碳化硅材料和硅材料性能的差異，分析碳化硅材料在使用期間存在的優(yōu)勢(shì)以及在未來的發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)和相關(guān)技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]集成電路制造;碳化硅;功率器件

[中圖分類號(hào)]TN303 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）07–00–03

[Abstract]Under the background of high temperature， high pressure and high switching frequency， it is difficult for traditional silicon material devices to be effectively promoted in various fields， because traditional silicon materials cannot meet long-term use， but the new wide band gap represented by silicon carbide Semiconductor materials can meet high temperature， high voltage， and high switching frequency applications. Therefore， from a certain perspective， silicon carbide power semiconductor devices have broken the bottleneck of the development of power electronic devices. In the future process， high voltage silicon carbide power Semiconductor devices will become the main development trend. Mainly conduct a simple analysis of the development of high-voltage silicon carbide devices， and discuss the performance differences between silicon carbide materials and silicon materials on the current basis， analyze the advantages of silicon carbide materials during use， and the challenges and related challenges faced in future development technology.

[Keywords]integrated circuit manufacturing; silicon carbide; power devices

本文分析的半導(dǎo)體材料碳化硅在進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的制造以及實(shí)際使用期間存在較為明顯的特性，例如擊穿場(chǎng)強(qiáng)高飽和、電子漂移速率快以及誘導(dǎo)率高等等。而這些數(shù)據(jù)可以滿足現(xiàn)代功率期間在大功率場(chǎng)合高頻高溫工作狀態(tài)下的應(yīng)用。所以從整體的情況來看，典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展前景相對(duì)較好，但在實(shí)際發(fā)展期間仍然存在較多的問題，如市場(chǎng)拓展問題，技術(shù)問題等等限制著它的深入發(fā)展。那么本次研究主要以開關(guān)電源，電動(dòng)汽車新能源發(fā)電，交通軌道以及智能電網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域作為背景，探討碳化硅功率器件的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀，以及在未來的發(fā)展走向。

1 碳化硅器件與硅器件的性能比較

近幾年，人們對(duì)碳化硅器件的研究力度相對(duì)較高，因?yàn)樗c傳統(tǒng)的碳化硅器件相比，其性能相對(duì)較好，能夠在多種類型的工況下進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)工作，也可以滿足人們?cè)谌粘Ｉa(chǎn)工作中的各項(xiàng)需求。例如碳化硅器件在高電壓額定值以及地導(dǎo)通電阻和快速開關(guān)速度工作中，都可以達(dá)到人們的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這些良好的性能為人們的日常生產(chǎn)工作提供了極大的便利。之所以它的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅器件，其主要原因是碳化硅材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)存在多種晶體結(jié)構(gòu)，這些晶體結(jié)構(gòu)因?yàn)榫哂休^高的電子遷移率和較低的參雜電離，所以很多功率器件的選擇開始偏向于碳化硅器件。那么從整體的角度來看，碳化硅器件與傳統(tǒng)的硅器件相比，其性能優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在帶隙、熔點(diǎn)、電子遷移率、電子飽和速度、擊穿電場(chǎng)、介電常數(shù)和誘導(dǎo)率這7個(gè)指標(biāo)方面。通過對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)碳化硅的相關(guān)指標(biāo)中的數(shù)據(jù)占有更大的優(yōu)勢(shì)，首先SIC具有更寬的近代寬度，其次，碳化硅具有更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，其三碳化硅的散熱性能相對(duì)較高，幾乎是碳的三倍，最后碳化硅具有更快的開關(guān)速度。

2 碳化硅功率器件的研究進(jìn)展

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的碳化硅半導(dǎo)體包括的類型相對(duì)較多，常見的主要有二極管、金屬氧化物、半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)、晶體管、晶閘管、結(jié)算場(chǎng)、效應(yīng)晶體管等等這些不同類型的碳化硅器件，單元結(jié)構(gòu)和漂移區(qū)參雜以及厚度之間存在較為明顯的差異。那么下文主要針對(duì)不同類型的碳化硅功率器件的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析。

2.1 碳化硅二極管

碳化硅二極管的類型可分為三種類型，分別為肖特基二極SBD、PIN二極管以及結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管JBS這幾種類型的二極管能夠承受的電壓幾乎是4H-碳化硅單極性器件的極限，從它的耐壓度進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)它的耐壓度幾乎達(dá)到600V，所以企業(yè)進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的制造，在使用時(shí)它就具有極高的開關(guān)速度和低開態(tài)損耗。那么從阻斷電壓進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)具有以上性能的碳化硅二極管及阻斷電壓非常低，但是反向漏電流卻可以達(dá)到較高的數(shù)值。那么使用其進(jìn)行產(chǎn)品制造是通過與其他類型的二極管相比，可發(fā)現(xiàn)它更加適合適用于開關(guān)頻率比較高的電路中，目前市場(chǎng)上使用其進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)工作，在技術(shù)方面已達(dá)到較為成熟的狀態(tài)，特別是它具備的優(yōu)異反向恢復(fù)特性，在市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 碳化硅MOSFET

碳化硅功率MOSFET從結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行分析，它與硅功率MOSFET之間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。從這種產(chǎn)品的應(yīng)用情況來看，使用這種類型的碳化硅功率期間進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，在電子器件方面必須要滿足動(dòng)態(tài)損耗和降低靜態(tài)損耗的各項(xiàng)需求，除此之外還需要承受一定高度的浪涌電流，因?yàn)槔擞侩娏鲿?huì)使得器件在使用時(shí)溫度馬上升高，所以從通態(tài)的角度來看，在電阻方面屬于偏高熱期間。而且單極功率器件的通態(tài)明顯比電阻隨其阻斷電壓的提高，呈現(xiàn)出快速增大的趨勢(shì)，那么在這一方面其他類型的二極管使用和碳化硅元器件的使用可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，所以其他類型的碳化硅原器件在這一方面有很大的改進(jìn)，特別是在開關(guān)速度的改變上，甚至比功率MOSFET高。

2.3 碳化硅GTO

通過對(duì)多種類型的碳化硅器件進(jìn)行對(duì)比和分析，可以發(fā)現(xiàn)炭化硅晶閘管器件具有多種類型碳化硅器件的優(yōu)點(diǎn)，例如開關(guān)頻率快，功率處置能力高，高溫特性強(qiáng)等等。因?yàn)樗钅軐⑻蓟璨牧系奶亻L充分發(fā)揮出來，所以在市場(chǎng)上的使用概率相對(duì)較高，特別是與傳統(tǒng)的硅器件相比，可在超高溫的條件下工作，在快速開關(guān)響應(yīng)速度方面和更高的阻斷能力方面，也可以滿足市場(chǎng)發(fā)展的需求。

2.4 碳化硅IGBT

針對(duì)碳化硅器件的實(shí)際使用情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有部分類型的碳化硅器件，其通態(tài)電阻會(huì)隨著阻斷電壓的上升而迅速增加，但是這一特點(diǎn)并不能滿足所有產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，特別是在高壓領(lǐng)域的碳化硅器件，無法在該領(lǐng)域中正常使用。其中碳化硅IGBT器件就可以在高壓領(lǐng)域中使用，而且具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)該類型的碳化硅器件發(fā)展情況進(jìn)行分析，因受到工藝技術(shù)的影響，它的起步時(shí)間相對(duì)較晚，發(fā)展的速度向也比較慢，它在發(fā)展的過程中存在溝道缺陷導(dǎo)致的可靠性以及低電子遷移率的問題。但經(jīng)過多年的研發(fā)并克服相關(guān)的電阻問題之后，它在市場(chǎng)上的使用效果越來越好，甚至目前已經(jīng)能夠?qū)φ麄€(gè)電力系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生極大的影響，特別是在高溫高壓的環(huán)境下，大部分企業(yè)會(huì)選擇該類型的碳化硅器件進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)工作。

2.5 碳化硅JFET

碳化硅JFET與其他類型的碳化硅期間相比具有低噪音特點(diǎn)，除此之外還具備高輸入阻抗和線性度好的特點(diǎn)，是目前產(chǎn)業(yè)化發(fā)展較為成熟的一種碳化硅功率器件。特別是在實(shí)際使用的過程中，遇到高溫環(huán)境時(shí)，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的碳化硅器件，所以其自身具備的高頻特性和三級(jí)可靠性也獲得更多企業(yè)的青睞。但是之所以沒有在市場(chǎng)上得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用，是因?yàn)樗鼰o法兼容通用的門極驅(qū)動(dòng)器。

3 碳化硅功率器件的應(yīng)用前景

3.1 開關(guān)電源

最近這幾年的研究使得碳化硅功率器件的應(yīng)用前景逐漸廣泛，隨著低電壓等級(jí)器件成本不斷降低，目前很多類型的碳化硅器件，在開關(guān)電源領(lǐng)域中的應(yīng)用得到深入的推廣，特別是在阻斷電壓低于500V的應(yīng)用場(chǎng)合下，大部分類型的碳化硅元器件均可獲得較好的使用效果。就目前為止，碳化硅晶體管在開關(guān)電源領(lǐng)域中所占的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他類型的碳化硅原器件，其主要原因是用其進(jìn)行開關(guān)電源產(chǎn)品的生產(chǎn)在性能、效率、成本以及體積等多個(gè)維度方面，并不占有較大的優(yōu)勢(shì)。

3.2 電動(dòng)汽車

通過上文的分析碳化硅功率器件的性能，與硅功率器件相比占有較大的優(yōu)勢(shì)，那么用其進(jìn)行電動(dòng)汽車產(chǎn)品的生產(chǎn)，則能夠很好的降低電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積重量以及成本，再加上很多電動(dòng)汽車在使用時(shí)各種組織的預(yù)警會(huì)產(chǎn)生高溫，而在這些高溫的背景下，利用碳化硅功率器件進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)的組合，可以達(dá)到更好的效果。目前市場(chǎng)上多種類型的汽車企業(yè)都開始研究碳化硅功率器件，涌入電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的內(nèi)容可發(fā)現(xiàn)將其融入后，電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的損耗可降低50 %以上。除此之外，碳化硅功率器件的使用還可以更好的解決新型電路拓?fù)涞膯栴}。

3.3 新能源發(fā)電

新能源發(fā)電是目前很多國家研究的內(nèi)容，將碳化硅應(yīng)用在新能源的發(fā)電工作中的相關(guān)應(yīng)用并沒有得到廣泛的普及，但是在歐洲市場(chǎng)中已經(jīng)常見碳化硅二極管在光伏逆變器中的應(yīng)用，據(jù)了解使用碳化硅器件光伏變換器的工作效率可提高96 %左右，而逆變器的損耗率則可降低1/4左右。而且通過對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，碳化硅器件在市場(chǎng)上的發(fā)展不斷深入，相關(guān)產(chǎn)品的價(jià)格可控制在較低的范圍內(nèi)。

3.4 交通軌道

在交通軌道中利用碳化硅器件進(jìn)行交通軌道牽引的工作，是最近這幾年來交通軌道領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題，目前碳化硅功率器件應(yīng)用于軌道交通牽引領(lǐng)域，已經(jīng)在日本的市場(chǎng)獲得驗(yàn)證。在2012年，東京地鐵銀座線的新01系列車，就已經(jīng)使用碳化硅逆變器進(jìn)行生產(chǎn)，其使用后可以更好地降低那邊汽車電能損耗，使得整個(gè)列車的電能再生性能得到大幅度的提升。據(jù)了解使用后的電力再生率由原來的22.7 %低到了50 %以上，由此可認(rèn)為炭化硅逆變器的使用不僅可以更好的降低耗電量，還可以獲得更明顯的節(jié)能效果。

3.5 電力系統(tǒng)

目前，智能電網(wǎng)工程的完善程度越來越高，在電力電子技術(shù)應(yīng)用發(fā)展速度不斷加快的背景下，碳化硅功率器件在柔性交流輸電，電力電子變換器等多個(gè)場(chǎng)景當(dāng)中都具有較大的應(yīng)用潛能，它可以使供電效率提高40 %以上，同時(shí)也可以將電力損耗降低在60 %以內(nèi)。

4 結(jié)束語

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，新能源成為了人們更加關(guān)注的話題，目前世界各國之間的較量似乎已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾履茉囱芯康妮^量，所以我國在交通、電力、軍事、國防以及多個(gè)領(lǐng)域方面都開始研究低碳環(huán)保的能源，希望能在節(jié)能減排的基礎(chǔ)上生產(chǎn)出更高功率的器件。當(dāng)然為了滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枨螅谏钪械母鞣N功率器件方面也必須要進(jìn)行高壓、高溫、高頻工作的研究，才可以為人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)活動(dòng)提供源源不斷的動(dòng)力，以及提供其相應(yīng)的保障。近年來碳化硅器件是電力電子行業(yè)深入發(fā)展的內(nèi)容，希望能夠通過推廣碳化硅器件的工作，為人們的生活提供更好的能源動(dòng)力。就目前的發(fā)展情況來看，碳化硅隨著晶體生長技術(shù)和器件封裝技術(shù)的完善，它的可靠性和成本都可以得到較大的改善，這為人們未來對(duì)碳化硅利用的領(lǐng)域打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。就目前為止，碳化硅器件在實(shí)際應(yīng)用工作中也存在許多挑戰(zhàn)，例如封裝，柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)等等這些技術(shù)的改進(jìn)，對(duì)于推廣碳化硅器件而言非常重要。

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