高压SiC功率半导体器件的发展现状与解决措施

赵刚

[摘    要 ]在高温高压高开关频率的背景下，传统硅材料器件很难在多种领域中有效的推广出去，因为传统硅材料无法满足长时间的使用，但是以碳化硅为代表的新型宽禁带半导体材料则是能够满足高温、高压、高开关频率的应用，因此从某一角度进行分析，碳化硅功率半导体的器件，突破了电力电子器件发展的瓶颈，在未来的过程中，高压碳化硅功率半导体器件的将成为主要发展趋势。本文主要针对高压碳化硅器件的发展进行简单分析，并在现在的基础上探讨碳化硅材料和硅材料性能的差异，分析碳化硅材料在使用期间存在的优势以及在未来的发展中面临的挑战和相关技术。

[关键词]集成电路制造;碳化硅;功率器件

[中图分类号]TN303 [文献标志码]A [文章编号]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

本文分析的半导体材料碳化硅在进行相关产品的制造以及实际使用期间存在较为明显的特性，例如击穿场强高饱和、电子漂移速率快以及诱导率高等等。而这些数据可以满足现代功率期间在大功率场合高频高温工作状态下的应用。所以从整体的情况来看，典型的宽禁带半导体材料的发展前景相对较好，但在实际发展期间仍然存在较多的问题，如市场拓展问题，技术问题等等限制着它的深入发展。那么本次研究主要以开关电源，电动汽车新能源发电，交通轨道以及智能电网等多个领域作为背景，探讨碳化硅功率器件的实际应用现状，以及在未来的发展走向。

1 碳化硅器件与硅器件的性能比较

近几年，人们对碳化硅器件的研究力度相对较高，因为它与传统的碳化硅器件相比，其性能相对较好，能够在多种类型的工况下进行产品的生产工作，也可以满足人们在日常生产工作中的各项需求。例如碳化硅器件在高电压额定值以及地导通电阻和快速开关速度工作中，都可以达到人们的相关标准，这些良好的性能为人们的日常生产工作提供了极大的便利。之所以它的性能远远高于硅器件，其主要原因是碳化硅材料内部的结构存在多种晶体结构，这些晶体结构因为具有较高的电子迁移率和较低的参杂电离，所以很多功率器件的选择开始偏向于碳化硅器件。那么从整体的角度来看，碳化硅器件与传统的硅器件相比，其性能优势主要表现在带隙、熔点、电子迁移率、电子饱和速度、击穿电场、介电常数和诱导率这7个指标方面。通过对这些指标进行分析，可发现碳化硅的相关指标中的数据占有更大的优势，首先SIC具有更宽的近代宽度，其次，碳化硅具有更低的导通损耗和开关损耗，其三碳化硅的散热性能相对较高，几乎是碳的三倍，最后碳化硅具有更快的开关速度。

2 碳化硅功率器件的研究进展

目前市场上出现的碳化硅半導体包括的类型相对较多，常见的主要有二极管、金属氧化物、半导体场效应、晶体管、晶闸管、结算场、效应晶体管等等这些不同类型的碳化硅器件，单元结构和漂移区参杂以及厚度之间存在较为明显的差异。那么下文主要针对不同类型的碳化硅功率器件的相关内容进行分析。

2.1 碳化硅二极管

碳化硅二极管的类型可分为三种类型，分别为肖特基二极SBD、PIN二极管以及结势垒肖特基二极管JBS这几种类型的二极管能够承受的电压几乎是4H-碳化硅单极性器件的极限，从它的耐压度进行分析，可以发现它的耐压度几乎达到600V，所以企业进行相关产品的制造，在使用时它就具有极高的开关速度和低开态损耗。那么从阻断电压进行分析，可发现具有以上性能的碳化硅二极管及阻断电压非常低，但是反向漏电流却可以达到较高的数值。那么使用其进行产品制造是通过与其他类型的二极管相比，可发现它更加适合适用于开关频率比较高的电路中，目前市场上使用其进行产品的生产工作，在技术方面已达到较为成熟的状态，特别是它具备的优异反向恢复特性，在市场上得到了广泛的应用。

2.2 碳化硅MOSFET

碳化硅功率MOSFET从结构的角度进行分析，它与硅功率MOSFET之间的差异无统计学意义。从这种产品的应用情况来看，使用这种类型的碳化硅功率期间进行产品生产，在电子器件方面必须要满足动态损耗和降低静态损耗的各项需求，除此之外还需要承受一定高度的浪涌电流，因为浪涌电流会使得器件在使用时温度马上升高，所以从通态的角度来看，在电阻方面属于偏高热期间。而且单极功率器件的通态明显比电阻随其阻断电压的提高，呈现出快速增大的趋势，那么在这一方面其他类型的二极管使用和碳化硅元器件的使用可以弥补这一缺点，所以其他类型的碳化硅原器件在这一方面有很大的改进，特别是在开关速度的改变上，甚至比功率MOSFET高。

2.3 碳化硅GTO

通过对多种类型的碳化硅器件进行对比和分析，可以发现炭化硅晶闸管器件具有多种类型碳化硅器件的优点，例如开关频率快，功率处置能力高，高温特性强等等。因为它最能将碳化硅材料的特长充分发挥出来，所以在市场上的使用概率相对较高，特别是与传统的硅器件相比，可在超高温的条件下工作，在快速开关响应速度方面和更高的阻断能力方面，也可以满足市场发展的需求。

2.4 碳化硅IGBT

针对碳化硅器件的实际使用情况进行分析，发现有部分类型的碳化硅器件，其通态电阻会随着阻断电压的上升而迅速增加，但是这一特点并不能满足所有产品的生产需求，特别是在高压领域的碳化硅器件，無法在该领域中正常使用。其中碳化硅IGBT器件就可以在高压领域中使用，而且具有非常明显的优势。对该类型的碳化硅器件发展情况进行分析，因受到工艺技术的影响，它的起步时间相对较晚，发展的速度向也比较慢，它在发展的过程中存在沟道缺陷导致的可靠性以及低电子迁移率的问题。但经过多年的研发并克服相关的电阻问题之后，它在市场上的使用效果越来越好，甚至目前已经能够对整个电力系统的应用产生极大的影响，特别是在高温高压的环境下，大部分企业会选择该类型的碳化硅器件进行产品的生产工作。

2.5 碳化硅JFET

碳化硅JFET与其他类型的碳化硅期间相比具有低噪音特点，除此之外还具备高输入阻抗和线性度好的特点，是目前产业化发展较为成熟的一种碳化硅功率器件。特别是在实际使用的过程中，遇到高温环境时，其稳定性远远高于其他类型的碳化硅器件，所以其自身具备的高频特性和三级可靠性也获得更多企业的青睐。但是之所以没有在市场上得到进一步的推广和应用，是因为它无法兼容通用的门极驱动器。

3 碳化硅功率器件的应用前景

3.1 开关电源

最近这几年的研究使得碳化硅功率器件的应用前景逐渐广泛，随着低电压等级器件成本不断降低，目前很多类型的碳化硅器件，在开关电源领域中的应用得到深入的推广，特别是在阻断电压低于500V的应用场合下，大部分类型的碳化硅元器件均可获得较好的使用效果。就目前为止，碳化硅晶体管在开关电源领域中所占的优势远远低于其他类型的碳化硅原器件，其主要原因是用其进行开关电源产品的生产在性能、效率、成本以及体积等多个维度方面，并不占有较大的优势。

3.2 电动汽车

通过上文的分析碳化硅功率器件的性能，与硅功率器件相比占有较大的优势，那么用其进行电动汽车产品的生产，则能够很好的降低电动汽车驱动系统的体积重量以及成本，再加上很多电动汽车在使用时各种组织的预警会产生高温，而在这些高温的背景下，利用碳化硅功率器件进行相关系统的组合，可以达到更好的效果。目前市场上多种类型的汽车企业都开始研究碳化硅功率器件，涌入电动汽车动力系统中的内容可发现将其融入后，电动汽车动力系统的损耗可降低50 %以上。除此之外，碳化硅功率器件的使用还可以更好的解决新型电路拓扑的问题。

3.3 新能源发电

新能源发电是目前很多国家研究的内容，将碳化硅应用在新能源的发电工作中的相关应用并没有得到广泛的普及，但是在欧洲市场中已经常见碳化硅二极管在光伏逆变器中的应用，据了解使用碳化硅器件光伏变换器的工作效率可提高96 %左右，而逆变器的损耗率则可降低1/4左右。而且通过对收集到的数据进行分析，可以发现，碳化硅器件在市场上的发展不断深入，相关产品的价格可控制在较低的范围内。

3.4 交通轨道

在交通轨道中利用碳化硅器件进行交通轨道牵引的工作，是最近这几年来交通轨道领域研究的重点问题，目前碳化硅功率器件应用于轨道交通牵引领域，已经在日本的市场获得验证。在2012年，东京地铁银座线的新01系列车，就已经使用碳化硅逆变器进行生产，其使用后可以更好地降低那边汽车电能损耗，使得整个列车的电能再生性能得到大幅度的提升。据了解使用后的电力再生率由原来的22.7 %低到了50 %以上，由此可认为炭化硅逆变器的使用不仅可以更好的降低耗电量，还可以获得更明显的节能效果。

3.5 电力系统

目前，智能电网工程的完善程度越来越高，在电力电子技术应用发展速度不断加快的背景下，碳化硅功率器件在柔性交流输电，电力电子变换器等多个场景当中都具有较大的应用潜能，它可以使供电效率提高40 %以上，同时也可以将电力损耗降低在60 %以内。

4 结束语

在科学技术快速发展的背景下，新能源成为了人们更加关注的话题，目前世界各国之间的较量似乎已经转变为新能源研究的较量，所以我国在交通、电力、军事、国防以及多个领域方面都开始研究低碳环保的能源，希望能在节能减排的基础上生产出更高功率的器件。当然为了满足人们日常生活的需求，在生活中的各种功率器件方面也必须要进行高压、高温、高频工作的研究，才可以为人们日常生活的各个活动提供源源不断的动力，以及提供其相应的保障。近年来碳化硅器件是电力电子行业深入发展的内容，希望能够通过推广碳化硅器件的工作，为人们的生活提供更好的能源动力。就目前的发展情况来看，碳化硅随着晶体生长技术和器件封装技术的完善，它的可靠性和成本都可以得到较大的改善，这为人们未来对碳化硅利用的领域打下坚实的基础。就目前为止，碳化硅器件在实际应用工作中也存在许多挑战，例如封装，栅极驱动设计等等这些技术的改进，对于推广碳化硅器件而言非常重要。

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