高壓SiC功率半導體器件的發展現狀與解決措施

趙剛

[摘 ? ?要 ]在高溫高壓高開關頻率的背景下，傳統硅材料器件很難在多種領域中有效的推廣出去，因為傳統硅材料無法滿足長時間的使用，但是以碳化硅為代表的新型寬禁帶半導體材料則是能夠滿足高溫、高壓、高開關頻率的應用，因此從某一角度進行分析，碳化硅功率半導體的器件，突破了電力電子器件發展的瓶頸，在未來的過程中，高壓碳化硅功率半導體器件的將成為主要發展趨勢。本文主要針對高壓碳化硅器件的發展進行簡單分析，并在現在的基礎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勢以及在未來的發展中面臨的挑戰和相關技術。

[關鍵詞]集成電路制造;碳化硅;功率器件

[中圖分類號]TN303 [文獻標志碼]A [文章編號]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

本文分析的半導體材料碳化硅在進行相關產品的制造以及實際使用期間存在較為明顯的特性，例如擊穿場強高飽和、電子漂移速率快以及誘導率高等等。而這些數據可以滿足現代功率期間在大功率場合高頻高溫工作狀態下的應用。所以從整體的情況來看，典型的寬禁帶半導體材料的發展前景相對較好，但在實際發展期間仍然存在較多的問題，如市場拓展問題，技術問題等等限制著它的深入發展。那么本次研究主要以開關電源，電動汽車新能源發電，交通軌道以及智能電網等多個領域作為背景，探討碳化硅功率器件的實際應用現狀，以及在未來的發展走向。

1 碳化硅器件與硅器件的性能比較

近幾年，人們對碳化硅器件的研究力度相對較高，因為它與傳統的碳化硅器件相比，其性能相對較好，能夠在多種類型的工況下進行產品的生產工作，也可以滿足人們在日常生產工作中的各項需求。例如碳化硅器件在高電壓額定值以及地導通電阻和快速開關速度工作中，都可以達到人們的相關標準，這些良好的性能為人們的日常生產工作提供了極大的便利。之所以它的性能遠遠高于硅器件，其主要原因是碳化硅材料內部的結構存在多種晶體結構，這些晶體結構因為具有較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，碳化硅器件與傳統的硅器件相比，其性能優勢主要表現在帶隙、熔點、電子遷移率、電子飽和速度、擊穿電場、介電常數和誘導率這7個指標方面。通過對這些指標進行分析，可發現碳化硅的相關指標中的數據占有更大的優勢，首先SIC具有更寬的近代寬度，其次，碳化硅具有更低的導通損耗和開關損耗，其三碳化硅的散熱性能相對較高，幾乎是碳的三倍，最后碳化硅具有更快的開關速度。

2 碳化硅功率器件的研究進展

目前市場上出現的碳化硅半導體包括的類型相對較多，常見的主要有二極管、金屬氧化物、半導體場效應、晶體管、晶閘管、結算場、效應晶體管等等這些不同類型的碳化硅器件，單元結構和漂移區參雜以及厚度之間存在較為明顯的差異。那么下文主要針對不同類型的碳化硅功率器件的相關內容進行分析。

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二極管以及結勢壘肖特基二極管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，從它的耐壓度進行分析，可以發現它的耐壓度幾乎達到600V，所以企業進行相關產品的制造，在使用時它就具有極高的開關速度和低開態損耗。那么從阻斷電壓進行分析，可發現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到較高的數值。那么使用其進行產品制造是通過與其他類型的二極管相比，可發現它更加適合適用于開關頻率比較高的電路中，目前市場上使用其進行產品的生產工作，在技術方面已達到較為成熟的狀態，特別是它具備的優異反向恢復特性，在市場上得到了廣泛的應用。

2.2 碳化硅MOSFET

碳化硅功率MOSFET從結構的角度進行分析，它與硅功率MOSFET之間的差異無統計學意義。從這種產品的應用情況來看，使用這種類型的碳化硅功率期間進行產品生產，在電子器件方面必須要滿足動態損耗和降低靜態損耗的各項需求，除此之外還需要承受一定高度的浪涌電流，因為浪涌電流會使得器件在使用時溫度馬上升高，所以從通態的角度來看，在電阻方面屬于偏高熱期間。而且單極功率器件的通態明顯比電阻隨其阻斷電壓的提高，呈現出快速增大的趨勢，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這一缺點，所以其他類型的碳化硅原器件在這一方面有很大的改進，特別是在開關速度的改變上，甚至比功率MOSFET高。

2.3 碳化硅GTO

通過對多種類型的碳化硅器件進行對比和分析，可以發現炭化硅晶閘管器件具有多種類型碳化硅器件的優點，例如開關頻率快，功率處置能力高，高溫特性強等等。因為它最能將碳化硅材料的特長充分發揮出來，所以在市場上的使用概率相對較高，特別是與傳統的硅器件相比，可在超高溫的條件下工作，在快速開關響應速度方面和更高的阻斷能力方面，也可以滿足市場發展的需求。

2.4 碳化硅IGBT

針對碳化硅器件的實際使用情況進行分析，發現有部分類型的碳化硅器件，其通態電阻會隨著阻斷電壓的上升而迅速增加，但是這一特點并不能滿足所有產品的生產需求，特別是在高壓領域的碳化硅器件，無法在該領域中正常使用。其中碳化硅IGBT器件就可以在高壓領域中使用，而且具有非常明顯的優勢。對該類型的碳化硅器件發展情況進行分析，因受到工藝技術的影響，它的起步時間相對較晚，發展的速度向也比較慢，它在發展的過程中存在溝道缺陷導致的可靠性以及低電子遷移率的問題。但經過多年的研發并克服相關的電阻問題之后，它在市場上的使用效果越來越好，甚至目前已經能夠對整個電力系統的應用產生極大的影響，特別是在高溫高壓的環境下，大部分企業會選擇該類型的碳化硅器件進行產品的生產工作。

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，除此之外還具備高輸入阻抗和線性度好的特點，是目前產業化發展較為成熟的一種碳化硅功率器件。特別是在實際使用的過程中，遇到高溫環境時，其穩定性遠遠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可靠性也獲得更多企業的青睞。但是之所以沒有在市場上得到進一步的推廣和應用，是因為它無法兼容通用的門極驅動器。

3 碳化硅功率器件的應用前景

3.1 開關電源

最近這幾年的研究使得碳化硅功率器件的應用前景逐漸廣泛，隨著低電壓等級器件成本不斷降低，目前很多類型的碳化硅器件，在開關電源領域中的應用得到深入的推廣，特別是在阻斷電壓低于500V的應用場合下，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電源領域中所占的優勢遠遠低于其他類型的碳化硅原器件，其主要原因是用其進行開關電源產品的生產在性能、效率、成本以及體積等多個維度方面，并不占有較大的優勢。

3.2 電動汽車

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勢，那么用其進行電動汽車產品的生產，則能夠很好的降低電動汽車驅動系統的體積重量以及成本，再加上很多電動汽車在使用時各種組織的預警會產生高溫，而在這些高溫的背景下，利用碳化硅功率器件進行相關系統的組合，可以達到更好的效果。目前市場上多種類型的汽車企業都開始研究碳化硅功率器件，涌入電動汽車動力系統中的內容可發現將其融入后，電動汽車動力系統的損耗可降低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撲的問題。

3.3 新能源發電

新能源發電是目前很多國家研究的內容，將碳化硅應用在新能源的發電工作中的相關應用并沒有得到廣泛的普及，但是在歐洲市場中已經常見碳化硅二極管在光伏逆變器中的應用，據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。而且通過對收集到的數據進行分析，可以發現，碳化硅器件在市場上的發展不斷深入，相關產品的價格可控制在較低的范圍內。

3.4 交通軌道

在交通軌道中利用碳化硅器件進行交通軌道牽引的工作，是最近這幾年來交通軌道領域研究的重點問題，目前碳化硅功率器件應用于軌道交通牽引領域，已經在日本的市場獲得驗證。在2012年，東京地鐵銀座線的新01系列車，就已經使用碳化硅逆變器進行生產，其使用后可以更好地降低那邊汽車電能損耗，使得整個列車的電能再生性能得到大幅度的提升。據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能效果。

3.5 電力系統

目前，智能電網工程的完善程度越來越高，在電力電子技術應用發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場景當中都具有較大的應用潛能，它可以使供電效率提高40 %以上，同時也可以將電力損耗降低在60 %以內。

4 結束語

在科學技術快速發展的背景下，新能源成為了人們更加關注的話題，目前世界各國之間的較量似乎已經轉變為新能源研究的較量，所以我國在交通、電力、軍事、國防以及多個領域方面都開始研究低碳環保的能源，希望能在節能減排的基礎上生產出更高功率的器件。當然為了滿足人們日常生活的需求，在生活中的各種功率器件方面也必須要進行高壓、高溫、高頻工作的研究，才可以為人們日常生活的各個活動提供源源不斷的動力，以及提供其相應的保障。近年來碳化硅器件是電力電子行業深入發展的內容，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力。就目前的發展情況來看，碳化硅隨著晶體生長技術和器件封裝技術的完善，它的可靠性和成本都可以得到較大的改善，這為人們未來對碳化硅利用的領域打下堅實的基礎。就目前為止，碳化硅器件在實際應用工作中也存在許多挑戰，例如封裝，柵極驅動設計等等這些技術的改進，對于推廣碳化硅器件而言非常重要。

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