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一文讀懂SiC功率半導體器件

www.gttxfe.tw 2018/7/12 11:22:18 來源:互聯網 電力電子論壇

  近年來,SiC功率器件結構設計和制造工藝日趨完善,已經接近其材料特性決定的理論極限,依靠Si器件繼續完善來提高裝置與系統性能的潛力十分有限。本文首先介紹了SiC功率半導體器件技術發展現狀及市場前景,其次闡述了SiC功率器件發展中存在的問題,最后介紹了SiC功率半導體器件的突破。

  SiC功率半導體器件技術發展現狀

  1、碳化硅功率二極管

  碳化硅功率二極管有三種類型:肖特基二極管(SBD)、PiN二極管和結勢壘控制肖特基二極管(JBS)。由于存在肖特基勢壘,SBD具有較低的結勢壘高度。因此,SBD具有低正向電壓的優勢。SiC SBD的出現將SBD的應用范圍從250 V提高到了1200 V。同時,其高溫特性好,從室溫到由管殼限定的175℃,反向漏電流幾乎沒有增加。在3 kV以上的整流器應用領域,SiC PiN和SiC JBS二極管由于比Si整流器具有更高的擊穿電壓、更快的開關速度以及更小的體積和更輕的重量而備受關注。

  2、單極型功率晶體管,碳化硅功率mosFET器件

  硅功率MOSFET器件具有理想的柵極電阻、高速的開關性能、低導通電阻和高穩定性。在300V以下的功率器件領域,是首選的器件。有文獻報道已成功研制出阻斷電壓10 kV的SiC MOSFET。研究人員認為,碳化硅MOSFET器件在3kV~5 kV領域將占據優勢地位。盡管遇到了不少困難,具有較大的電壓電流能力的碳化硅MOSFET器件的研發還是取得了顯著進展。

  另外,有報道介紹,碳化硅MOSFET柵氧層的可靠性已得到明顯提高。在350℃條件下有良好的可靠性。這些研究結果表明柵氧層將有希望不再是碳化硅MOSFET的一個顯著的問題。

  3、碳化硅絕緣柵雙極晶體管(SiC BJT、SiC IGBT)和碳化硅晶閘管(SiC Thyristor)

  最近報道了阻斷電壓12kV的碳化硅P型IGBT器件,并具有良好的正向電流能力。碳化硅IGBT器件的導通電阻可以與單極的碳化硅功率器件相比。與Si雙極型晶體管相比,SiC雙極型晶體管具有低20~50倍的開關損耗以及更低的導通壓降。SiC BJT主要分為外延發射極和離子注入發射極BJT,典型的電流增益在10-50之間。

  關于碳化硅晶閘管,有報道介紹了1平方厘米的晶閘管芯片,阻斷電壓5kV,在室溫下電流100A(電壓4.1V),開啟和關斷時間在幾十到幾百納秒。

  

 

  SiC功率器件市場前景廣闊

  2014 年全球 Si 功率器件市場規模約 150 億美元, 其中 SiC 功率器件為 1.2 億美元,不到 Si 功率器件的 1%。 SiC 器件 2014 年總市場規模約為 1.33 億美元,至 2020 年市場規模可達 4.36 億美元,年復合增長率為 22%。

  預測,至 2025 年:碳化硅 MOSFET 市場規模將會超越 3 億美元,成為僅次于碳化硅肖特基二極體的第二大碳化硅離散功率元件;SiC FETs 與 BJTs 產品獲得市場信賴,但多應用于專業或小眾產品,規模遠低于 SiC MOSFET 市場;結合 SiC 二極管與 Si IGBT 所形成的混合式 SiC 功率模組, 2015年該產品市場銷售額約為 3,800 萬美元,預計 2025 年銷售額將會突破 10 億美元。

  

 

  SiC功率器件發展中存在的問題

  1、在商業化市場方面:

  (1)昂貴的SiC單晶材料。由于Cree公司技術性壟斷,一片高質量的4英寸SiC單晶片的售價約5000美元,然而相應的4英寸Si片售價僅為7美元。如此昂貴的SiC單晶片已經嚴重阻礙了SiC器件的發展。

  (2)Cree公司的技術壟斷。由于Cree公司在世界各國申請了許多專利,嚴重制約了其他公司在SiC領域的發展。

  2、在技術方面:

  (1)SiC單晶材料雖然在導致SiC功率半導體性能和可靠性下降的致命缺陷微管密度降低和消除方面近年來取得很大進展,但位錯缺陷等其他缺陷對元件特性造成的影響仍未解決。

  (2)SiC器件可靠性問題。SiC MOSFET器件目前存在兩個主要技術難點沒有完全突破:低反型層溝道遷移率和高溫、高電場下柵氧可靠性。與Si MOSFET相比,體現不出SiC MOSFET的優勢。

  (3)高溫大功率SiC器件封裝問題。

  

 

  功率半導體的SiC之路期待突破

  電力電子器件的發展歷史大致可以分為三個大階段:硅晶閘管(可控硅)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和剛顯露頭角的碳化硅(SiC)系列大功率半導體器件。晶閘管發展已有近六十年歷史,技術成熟也得到廣泛應用,可以借鑒它的歷史來預測碳化硅功率器件。想當初IGBT興起時,與晶閘管參數指標相差極大,晶閘管已能做到2-3KV、2-3KA時,IGBT僅僅是電流過百、電壓過千。在短短的二十幾年間,IGBT從第一代迅速發展到第六代,電壓和電流已與晶閘管并駕齊驅,顯示出IGBT優越性能。

  晶閘管能干的IGBT全能干、IGBT能干的晶閘管干不了,在相當大的一片應用領域里IGBT因其不可替代的優越性能獨居鰲頭。但是晶閘管仍以其比較高的性價比守住了自己的大片陣地。碳化硅材料技術的進展已使部分碳化硅功率器件用于實際成為可能。但還有許多關鍵的技術問題需要解決。晶閘管電流從小到大、電壓從低到高經歷了數十年的風風雨雨,IGBT也有這樣的一個不凡的過程。可見SiC功率器件的發展也會有一個漫長的過程。

 

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