2014年碳化硅電力電子器件發(fā)展現(xiàn)狀分析

　　在過去的十五到二十年中，碳化硅電力電子器件領域取得了令人矚目的成就，所研發(fā)的碳化硅器件的性能指標遠超當前硅基器件，并且成功實現(xiàn)了部分碳化硅器件的產(chǎn)業(yè)化，在一些重要的能源領域開始逐步取代硅基電力電子器件，并初步展現(xiàn)出其巨大的潛力。碳化硅電力電子器件的持續(xù)進步將對電力電子技術領域的發(fā)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(fā)出來。SiC器件主要包括二極管和開關管。SiC二極管主要包括肖特基勢壘二極管及其新型結構和 PiN型二極管。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二極管最先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2001年德國Infineon公司率先推出SiC二極管產(chǎn)品，美國Cree和意法半導體等廠商也緊隨其后推出了SiC二極管產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。很多企業(yè)在開發(fā)肖特基勢壘二極管（SBD）和JBS結構二極管。目前，SiC二極管已經(jīng)存在600V~1700V電壓等級和50A電流等級的產(chǎn)品。

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

　　SiC肖特基二極管能提供近乎理想的動態(tài)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超快恢復二極管要低一到兩個數(shù)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(xiàn)象。在常溫下，其正態(tài)導通壓降和Si超快恢復器件基本相同，但是由于SiC肖特基二極管的導通電阻具有正溫度系數(shù)，這將有利于將多個SiC肖特基二極管并聯(lián)。在二極管單芯片面積和電流受限的情況下，這可以大幅度提高SiC肖特基二極管的容量，使它在較大容量中的應用成為可能。目前實驗室報道的最大容量的SiC二極管已經(jīng)達到了6500V/1000A的水平。由于SiC開關管的發(fā)展相對二極管滯后，當前更普遍的做法是將SiC二極管和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肖特基二極管用于變頻或逆變裝置中替換硅基快恢復二極管，顯著提高了工作頻率和整機效率。中低壓SiC肖特基二極管目前已經(jīng)在高端通訊開關電源、光伏并網(wǎng)逆變器領域上產(chǎn)生較大的影響。

　　SiC肖特基二極管的發(fā)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肖特基二極管的導通電阻，增強器件浪涌電流能力，減小器件熱阻。Infineon公司于2012年9月發(fā)布第五代SiCSBD產(chǎn)品，首次采用襯底減薄技術。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，但同時帶來的正向導通溝道寬度變窄效應使得正向導通壓降顯著增加。為了解決這一問題，新一代SiC肖特基二極管的發(fā)展方向是TrenchJBS結構。Cree公司新一代SiC肖特基二極管同時采用TrenchJBS結構和襯底減薄技術，與傳統(tǒng)的JBS二極管相比，正反向特性都得到了改善，不僅增加了電流密度（芯片面積減小50%）;也提高了阻斷電壓（提高150V）和雪崩能力。

　　碳化硅JFET有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點，是目前發(fā)展較快的碳化硅器件之一，并且率先實現(xiàn)了商業(yè)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(wěn)定性和可靠性。碳化硅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，這對于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臺面溝槽結構（TIVJFET）的器件工藝，開發(fā)出常斷工作狀態(tài)的增強型器件。但是增強型器件往往是在犧牲一定的正向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(xiàn)更高功率密度和電流能力，而耗盡型JFET器件可以通過級聯(lián)的方法實現(xiàn)常斷型工作狀態(tài)。級聯(lián)的方法是通過串聯(lián)一個低壓的Si基MOSFET來實現(xiàn)。級聯(lián)后的JFET器件的驅動電路與通用的硅基器件驅動電路自然兼容。級聯(lián)的結構非常適用于在高壓高功率場合替代原有的硅IGBT器件，并且直接回避了驅動電路的兼容問題。

　　目前，碳化硅JFET器件以及實現(xiàn)一定程度的產(chǎn)業(yè)化，主要由Infineon和SiCED公司推出的產(chǎn)品為主。產(chǎn)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的碳化硅模塊，該模塊采用1200V/25A 的SiCJFET并聯(lián)，反并聯(lián)二極管為SiCSBD。2011年，GlobalPowerElectronics研制了使用SiCJFET制作的高溫條件下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公司采用600V/5AMOS增強型JFET以及碳化硅二極管并聯(lián)制作了電流等級為25A的三相電極驅動模塊，并與現(xiàn)今較為先進的IGBT、pin二極管模塊作比較：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(tài)損耗以及開關損耗以及功率回路當中的過壓過流。

　　碳化硅MOSFE一直是最受矚目的碳化硅開關管，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(wěn)定性，而且其驅動電路非常簡單，并與現(xiàn)有的電力電子器件（硅功率MOSFET和IGBT）驅動電路的兼容性是碳化硅器件中最好的。

　　SiCMOSFET器件長期面臨的兩個主要挑戰(zhàn)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(fā)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。為了提高碳化硅MOSFET柵氧層的質量，降低表面缺陷濃度，提高載流子數(shù)量和遷移率，一種最通用的辦法是實現(xiàn)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后，在富氮的環(huán)境中進行高溫退火，這樣可以實現(xiàn)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采用在柵極正下方開掘溝槽的溝槽型柵極結構。目前已經(jīng)投產(chǎn)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，適于降低溝道電阻、減小導通電阻，但是Si溝槽型MOSFET目前尚未解決溝槽刻蝕之后側壁溝道的表面問題。

　　美國Cree和日本Rohm公司已經(jīng)能提供業(yè)界領先的碳化硅的MOSFET器件。美國已經(jīng)將碳化硅 MOSFET器件應用于開發(fā)2.7MVA的固態(tài)功率變電站，該固態(tài)功率變電站可能將被應用于美國下一代航空母艦CVN-21的配電系統(tǒng)中。采用全碳化硅功率模塊，可以使傳統(tǒng)的低頻（60Hz）變壓器轉變?yōu)楦哳l（20kHz）固態(tài)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(tǒng)的性能。2012年，日本三菱電機通過使用碳化硅制造的MOSFET和肖特基二極管，研發(fā)出一個達11kW逆變器，它比基于硅器件制造的逆變器，降低能源損耗達七成，輸出功率為10W/cm3。日本三菱電機報道了使用強制風冷的三相400V輸出全碳化硅逆變器，采用了碳化硅 JFET和碳化硅肖特基勢壘二極管，這套裝置的功率密度達到了50kVA/升，遠高于傳統(tǒng)的硅基裝置。2013年3月美國Cree發(fā)布第2代 SiCMOSFET。與第1代產(chǎn)品相比，通過縮小芯片面積等手段壓縮了成本。以耐壓為1.2kV的品種為例，第2代芯片面積比第1代縮小了約40%。