SiC半导体材料的特性及其在舰船上的应用

石绪忠

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，洛阳471039）

1 引言

随着舰船的全电力化进程，电力武器、通信、雷达的发展对发电、输送、贮存、转换和控制开关等使用的材料和器件提出了更高要求，传统使用的Si半导体材料及器件已经不能满足高电压、高频和高温条件下工作的需求，为适应上述工作环境，需要开展SiC半导体材料和器件的研究。本文概述了SiC半导体材料的特性、现有器件的性能以及其在舰船上的应用。

2 SiC半导体材料的特性

SiC由Si和C两种原子构成，其基本结构单元为正四面体结构，大量的结构单元在顶角相连结合，即构成SiC晶体。基本结构单元在空间堆垛顺序的变化使SiC具有200多种同质异构体。两种最常见的晶体结构为4H-SiC和6H-SiC。

SiC半导体材料具有宽禁带隙、高击穿电场、高热导率、高饱和电子迁移率，高耐辐照等特点，可以制成体积小、重量轻的器件。它在海军舰艇的高温、高频、大功率、光电子以及抗辐射器件等方面具有巨大的应用潜力。表1示出SiC与Si半导体材料性能的比较[1]。

表1 SiC与Si半导体材料的特性

SiC的应用范围之所以十分广泛是由于它具有宽禁带的特点，其碰撞离化能也高，在SiC中即使电场强度很高，也不出现离化载流子的雪崩倍增现象。它可以耐受8倍于Si的电压或电场，特别适用于制造高压大功率器件如高压二极管、功率三极管以及大功率微波器件。

对高频器件，饱和漂移速度是重要的材料参数，高饱和漂移速度对在微波器件中获得高沟道电流是非常有利的。SiC中饱和电子漂移速度为2×107cm/s，是Si的2倍。对于相同的击穿电压要求，SiC器件的尺寸可以做的更小，信号的传输距离因而就更短，器件的运行速度就更快。而且SiC的相对介电常数是低于大多数半导体的，这就使SiC器件具有较小的寄生电容，这又有利于器件频率特性的改善，因此，SiC是高频固态器件的理想材料。

SiC是热的良导体，导热特性优于任何其它半导体材料，这使得SiC功率器件能实现大热量的散发而在高温下工作，而且可以增加器件的功率密度。

SiC是非常硬的物质，弹性模量为424 GPa，其硬度仅次于金刚石和碳化硼。SiC的熔点为2800℃（3.5MPa下），其热稳定性很高。SiC具有很大的化学惰性，室温下几乎不与其它物质反应。因此，SiC器件的可靠性高，可用于复杂或恶劣的环境[2]。

3 现有的SiC器件

SiC特别适用于制作高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件。目前的SiC器件主要有以下几类：

3.1 肖特基器件

SiC肖特基二极管已实现商品化，其使用电流可达10 A。Cree、Si CED和Rockwell科学公司都销售肖特基器件。Cree公司最近成批生产的器件已经达到如下性能：在1200 V的反向偏压下，25℃时的漏电流为50 µA，200℃时的漏电流为100 µA。

3.2 单极型功率器件

场效应晶体管（FET）包括门极绝缘型FET（MOSFET）和面结型FET（JFET）两大类，属于单极型功率器件。传统Si基MOSFETs受到电压和频率使用的限制，因为导电电阻随击穿电压的平方快速增加，即RONV∝BR2.5。SiC MOSFET具有低比导通电阻，高工作频率和高温工作稳定性的优点，已制成的SiC MOSFET由平行的3片1.6 mm×1.6 mm芯片组成，大约是Si基MOSFET同样面积导态电阻的1/30，而且SiC MOSFET通态电压随温度的变化比较稳定，从25℃提高到175℃，在5 A下VF仅提高0.3 V。2009年SiC MOSFET晶体管已经量产。

几家主要器件制造厂集中于SiC JFETs的生产。Cree和Si CED等两公司正集中于高压JFETs的生产。相反，联合SiC公司和SemiSouth 实验室则集中于低压器件。目前SiC JFETs 已达到在500℃下工作2000 h而无衰减的性能[3]。SiC JFETs在全负载电流下的输出效率已达98%，比Si JFETs高出很多。

3.3 双极型功率器件

晶闸管是最坚固的有源器件，起到单向整流和控制开关作用。已制造出1×1 cm 4H-SiC器件晶闸管，在100 µA时的正向阻断电压为5.2 kV，其开关时间小于2000 ns，比同等类型Si 晶闸管的速度快10倍以上，并且不需要保护用的缓冲电路。

绝缘栅双极晶体管（IGBT）应用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。SiC IGBT特别适合于栅极驱动，Cree已经研制出12 kV SiC n-IGBT增压器，输入516 V，1.41 A，728 W，可输出5 kV，0.12 A，617 W，转换效率高达85%。

4 SiC器件在国外舰船上的应用

美国国防部已经积极研发SiC半导体材料及其器件和功率模块，并将这些技术应用到新型航空母舰 CVN-21、多用途导弹驱逐舰 DD(x)及舰船雷达上，以达到减轻重量、降低重心、减少体积、减少能量损耗和提高可靠性等目的。

4.1 航空母舰固态变电站上的应用

新型航空母舰 CVN-21级首艘福特号（CVN-78）将是第一艘配备电磁弹射系统（EMALS）的航母，四个电磁弹射系统均靠电力驱动，能在100 m的距离内把飞机的速度提高到240 m/s。该航空母舰的区域配电系统由2.7 MVA固态变电站（SSPS），13.8 kV总线和xfmr（变电器）-电动机等部分组成。根据航空母舰配电系统的要求，已进行了SiC基固态变电站的研究。研究 SiC器件为基的固态变电站可以实现下列效益：1）减轻重量和减少体积；2）改善和实现精确的电压调节；实现功率因素为 1，使电力效率提高20%；3）实现快速故障检测、保护；4）容易贮存能量并装有多个抽头的直流配电和输出。

美国国防高级研究计划局（DARPA）制订了宽能隙带SiC高功率电气设备计划，将SiC半导体制成的器件和组合模块，组成固态变电站以满足新型航空母舰CVN78的配电系统的需要[4]。表2示出 DARPA制订的高功率电子设备计划实施时间表，计划共分为四个阶段，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变压器和固态变电站设计、制造、演 示，以及系统分析、船上设计及集成等内容。

表2 高功率电子设备计划实施时间表

图1示出DARPA HPE计划第III阶段常规变压器改造成SiC基变电站。对于航空母舰电力系统的要求的2.7 MVA固态变电站系统，与模拟式低频传统变压器相比，采用新型数字式SiC基固态变电站后，转换电源的工作频率可从60 Hz提高到20 kHz，单台重量从6 T降低到1.7 T，体积从10 m3减小到2.7 m3，输出方式由固定单项输出改善为多抽头输出，使其电能质量，可恢复性，重量、体积、模块和与 CVN21电力系统的兼容性最佳化。

图1 常规变压器改造成SiC基变电站（DARPA HPE计划第III阶段）

根据建造舰只计划，CVN 78舰的设计和建造将继续与SSPS开发同时进行。为了支持造舰计划，SSPS必须与15 kV/450 VAC电力变压器一样的组成，安装和功能。而SSPS中SiC功率模块则是不可或缺的。

4.2 导弹驱逐舰综合电力系统上的应用

舰船电力电子系统采用先进技术已经成为下一代全电船，诸如美国海军 DDG-1000“朱姆沃尔特”级导弹驱逐舰的计划，设计和制造的焦点。DDG-1000要求数兆瓦的电力控制，分配和综合电力系统功率转换[5]。

EMPE公司目前正在执行由NAVSEA主持的“先进海军综合电力系统的研究与开发项目”，该项目将研究重点放在一系列先进电力电子硬件装置上[6]。目前正评估这些装置的性能以测定直接在高功率海军应用这些新技术的效果。为了评价这些新型先进技术，该课题分成3个支任务：纤维光学和先进传感器，宽带隙器件和先进热交换器。这些新的先进技术有潜力增加系统的可靠性，增加功率密度并改善系统监控性能。EMPF将在海军DDG 1000综合电力系统内实施这些技术。

综合电力系统（IPS）把推进的发电和舰船上其它使用诸如武器系统与舰船雷达系统结合起来。电源状模块（PCM-1,2和 4）用于通过综合电力系统一个积木的电源综合防治。PCM-4包括直流电源的推进，在PCM-1上舰船服务电源转换模块（SSCMs）转换成较低直流电压输出。PCM-2包括 DC-AC逆变器（舰船服务变换器模块SSIMs）要求在额定兆瓦范围内。目前使用具有额定100 kW功率的Si IGBT模块。近来EMPF公司研究用P-Spce模型软件比较Si IGBT模块和SiC VJFET的性能。在测试线路中类似能源转换模块 PCM 支系统，对饱和电流，电压，瞬态时间和功率消耗进行了比较。在大多数情况下建模结果揭示当用SiC器件代替Si器件时其性能得到很大改善。在测试线路中用 SiC VJFET代替 Si IGBT，功率消耗改善25倍。SiC VJFET开关速度比Si IGBT更快，由于SiC VJFET的瞬变时间比Si IGBT的短200倍以上。

4.3 舰船雷达用上的应用

未来的海军舰载雷达系统（AEGIS-DD(X)，LCS）将需要高功率，高稳定性，快速的射束转换。目前使用最好的的铁氧体高功率移相器技术仍不能满足未来海军雷达对开关速度、大小和成本的要求。自2004年以来F&H ASA公司一直在开展用于高功率微波控制元件和放大器的SiC器件的工作。这一成功的努力导致了基于一种新型而特有的碳化硅PIN二极管的高功率移相器的发展。目前F&H 研发的5位移相器目标是500 W的峰值功率和10%的占空比，10 µs快速开关，1dB的插入损耗和在S波段20%的带宽。图2为F&H ASA公司研制的舰载雷达用SiC基3比特高功率相移器[7]。

图2 舰载雷达用SiC基固态高功率相移器

洛克希德·马丁公司已经成功的展示了其内部开发的可升级的固态 S波段雷达（S4R）工程开发模型（EDM）。S4R EDM是一种有源的、电子控制的、基于天线的雷达系统，可以进行升级以支持多种任务，其中包括空中监视、巡航导弹防御、弹道导弹防御、目标采集以及滨海作战。这种设计的来源是为美国海军下一代驱逐舰DDG-1000开发的大体积搜索雷达。

S4R EDM的开发使用了基于碳化硅（SiC）的高功率收发（T/R）模块。由于热容高，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，所以雷达的探测范围也增加了，并且可以提供更加精确的目标识别能力。

此外，SemiSouth实验室从ONR得到价款260万美元的合同，用于大功率雷达系统的SiC 射频晶体管的制造工艺的开发[8]。

4.4. 舰船上的其它应用

SiC器件还可以实现在要求机械速度下的电力武器和武器装备使用的脉冲功率系统中功率的控制。SiC在特定超高压的应用包括混合电力战车（变换器和电动机驱动），脉冲功率（轨道炮和直能武器）以及主动电子战，诱捕，搜索器等。

5 结束语

本文对SiC材料的结构、性能进行了介绍，分析了目前碳化硅器件的发展情况，并主要介绍了SiC器件的在舰船上的潜在应用。

美国根据海军先进舰船需要而制订了宽带隙半导体高功率电子器件计划，从 SiC 材料的制备，器件和模块的制造到固态变电站的演示的一体化研发工作是值得我们借鉴的。该国著名 SiC材料和器件生产公司以及有关高等院校、研究所等大力协作，紧紧围绕SiC器件在新型舰船上的应用研究工作也是值得学习的。我国应根据舰船需要，将进一步开发电源转换和控制用大功率、高压、高频和高温、抗辐照和耐腐蚀的电力电子器件。

[1] High-Voltage, High-Frequency Devices for Solid State Power Substation and Grid Power Converters, Allen R.Hefner, 2009.

[2] 王占国, 陈立泉, 屠海令. 信息功能材料工程（上）[M]. 北京：化学工业出版社，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.