SiC半導體材料的特性及其在艦船上的應用

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、雷達的發展對發電、輸送、貯存、轉換和控制開關等使用的材料和器件提出了更高要求，傳統使用的Si半導體材料及器件已經不能滿足高電壓、高頻和高溫條件下工作的需求，為適應上述工作環境，需要開展SiC半導體材料和器件的研究。本文概述了SiC半導體材料的特性、現有器件的性能以及其在艦船上的應用。

2 SiC半導體材料的特性

SiC由Si和C兩種原子構成，其基本結構單元為正四面體結構，大量的結構單元在頂角相連結合，即構成SiC晶體。基本結構單元在空間堆垛順序的變化使SiC具有200多種同質異構體。兩種最常見的晶體結構為4H-SiC和6H-SiC。

SiC半導體材料具有寬禁帶隙、高擊穿電場、高熱導率、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用潛力。表1示出SiC與Si半導體材料性能的比較[1]。

表1 SiC與Si半導體材料的特性

SiC的應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，也不出現離化載流子的雪崩倍增現象。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，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的相對介電常數是低于大多數半導體的，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是高頻固態器件的理想材料。

SiC是熱的良導體，導熱特性優于任何其它半導體材料，這使得SiC功率器件能實現大熱量的散發而在高溫下工作，而且可以增加器件的功率密度。

SiC是非常硬的物質，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反應。因此，SiC器件的可靠性高，可用于復雜或惡劣的環境[2]。

3 現有的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公司最近成批生產的器件已經達到如下性能：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

場效應晶體管（FET）包括門極絕緣型FET（MOSFET）和面結型FET（JFET）兩大類，屬于單極型功率器件。傳統Si基MOSFETs受到電壓和頻率使用的限制，因為導電電阻隨擊穿電壓的平方快速增加，即RONV∝BR2.5。SiC MOSFET具有低比導通電阻，高工作頻率和高溫工作穩定性的優點，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同樣面積導態電阻的1/30，而且SiC MOSFET通態電壓隨溫度的變化比較穩定，從25℃提高到175℃，在5 A下VF僅提高0.3 V。2009年SiC MOSFET晶體管已經量產。

幾家主要器件制造廠集中于SiC JFETs的生產。Cree和Si CED等兩公司正集中于高壓JFETs的生產。相反，聯合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）應用于交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。SiC IGBT特別適合于柵極驅動，Cree已經研制出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，轉換效率高達85%。

4 SiC器件在國外艦船上的應用

美國國防部已經積極研發SiC半導體材料及其器件和功率模塊，并將這些技術應用到新型航空母艦 CVN-21、多用途導彈驅逐艦 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 航空母艦固態變電站上的應用

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（EMALS）的航母，四個電磁彈射系統均靠電力驅動，能在100 m的距離內把飛機的速度提高到240 m/s。該航空母艦的區域配電系統由2.7 MVA固態變電站（SSPS），13.8 kV總線和xfmr（變電器）-電動機等部分組成。根據航空母艦配電系統的要求，已進行了SiC基固態變電站的研究。研究 SiC器件為基的固態變電站可以實現下列效益：1）減輕重量和減少體積；2）改善和實現精確的電壓調節；實現功率因素為 1，使電力效率提高20%；3）實現快速故障檢測、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高功率電氣設備計劃，將SiC半導體制成的器件和組合模塊，組成固態變電站以滿足新型航空母艦CVN78的配電系統的需要[4]。表2示出 DARPA制訂的高功率電子設備計劃實施時間表，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變壓器和固態變電站設計、制造、演 示，以及系統分析、船上設計及集成等內容。

表2 高功率電子設備計劃實施時間表

圖1示出DARPA HPE計劃第III階段常規變壓器改造成SiC基變電站。對于航空母艦電力系統的要求的2.7 MVA固態變電站系統，與模擬式低頻傳統變壓器相比，采用新型數字式SiC基固態變電站后，轉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，使其電能質量，可恢復性，重量、體積、模塊和與 CVN21電力系統的兼容性最佳化。

圖1 常規變壓器改造成SiC基變電站（DARPA HPE計劃第III階段）

根據建造艦只計劃，CVN 78艦的設計和建造將繼續與SSPS開發同時進行。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 導彈驅逐艦綜合電力系統上的應用

艦船電力電子系統采用先進技術已經成為下一代全電船，諸如美國海軍 DDG-1000“朱姆沃爾特”級導彈驅逐艦的計劃，設計和制造的焦點。DDG-1000要求數兆瓦的電力控制，分配和綜合電力系統功率轉換[5]。

EMPE公司目前正在執行由NAVSEA主持的“先進海軍綜合電力系統的研究與開發項目”，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用這些新技術的效果。為了評價這些新型先進技術，該課題分成3個支任務：纖維光學和先進傳感器，寬帶隙器件和先進熱交換器。這些新的先進技術有潛力增加系統的可靠性，增加功率密度并改善系統監控性能。EMPF將在海軍DDG 1000綜合電力系統內實施這些技術。

綜合電力系統（IPS）把推進的發電和艦船上其它使用諸如武器系統與艦船雷達系統結合起來。電源狀模塊（PCM-1,2和 4）用于通過綜合電力系統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上艦船服務電源轉換模塊（SSCMs）轉換成較低直流電壓輸出。PCM-2包括 DC-AC逆變器（艦船服務變換器模塊SSIMs）要求在額定兆瓦范圍內。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換模塊 PCM 支系統，對飽和電流，電壓，瞬態時間和功率消耗進行了比較。在大多數情況下建模結果揭示當用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 艦船雷達用上的應用

未來的海軍艦載雷達系統（AEGIS-DD(X)，LCS）將需要高功率，高穩定性，快速的射束轉換。目前使用最好的的鐵氧體高功率移相器技術仍不能滿足未來海軍雷達對開關速度、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展。目前F&H 研發的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，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基固態高功率相移器

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

S4R EDM的開發使用了基于碳化硅（SiC）的高功率收發（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的SiC 射頻晶體管的制造工藝的開發[8]。

4.4. 艦船上的其它應用

SiC器件還可以實現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中功率的控制。SiC在特定超高壓的應用包括混合電力戰車（變換器和電動機驅動），脈沖功率（軌道炮和直能武器）以及主動電子戰，誘捕，搜索器等。

5 結束語

本文對SiC材料的結構、性能進行了介紹，分析了目前碳化硅器件的發展情況，并主要介紹了SiC器件的在艦船上的潛在應用。

美國根據海軍先進艦船需要而制訂了寬帶隙半導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變電站的演示的一體化研發工作是值得我們借鑒的。該國著名 SiC材料和器件生產公司以及有關高等院校、研究所等大力協作，緊緊圍繞SiC器件在新型艦船上的應用研究工作也是值得學習的。我國應根據艦船需要，將進一步開發電源轉換和控制用大功率、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.