碳化硅功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

碳化硅作為一種寬禁帶材料，具有高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高壓、大功率、高頻、高溫應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器件。該文對碳化硅功率半導(dǎo)體器件的最新發(fā)展進(jìn)行回顧，包括碳化硅功率二極管、MOSFET、IGBT，并對其在電力系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景進(jìn)行展望。

1引言

理想的半導(dǎo)體功率器件，應(yīng)當(dāng)具有這樣的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性：在阻斷狀態(tài)，能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)，具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降；在開關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)換時(shí)，具有短的開、關(guān)時(shí)間，能承受高的di/d t和du/d t，具有低的開關(guān)損耗，并具有全控功能。半個(gè)多世紀(jì)以來（自20世紀(jì)50年代硅晶閘管的問世），半導(dǎo)體功率器件的研究工作者為實(shí)現(xiàn)上述理想的器件做出了不懈的努力，并已取得了世人矚目的成就。各類硅基功率半導(dǎo)體器件（功率二極管、VDMOS、IGBT、IGCT等）被成功制造和應(yīng)用，促使各種新型大功率裝置成功地應(yīng)用于各種工業(yè)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電力牽引、電能質(zhì)量控制、可再生能源發(fā)電、分布式發(fā)電、國防和前沿科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。

然而由于在電壓、功率耐量等方面的限制，這些硅基大功率器件在現(xiàn)代高性能電力電子裝置中（要求具有變流、變頻和調(diào)相能力；快速的響應(yīng)性能~ms；利用極小的功率控制極大功率；變流器體積小、重量輕等）不得不采用器件串、并聯(lián)技術(shù)和復(fù)雜的電路拓?fù)鋪磉_(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，導(dǎo)致裝置的故障率和成本大大增加，制約了現(xiàn)代電力系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

近年來，作為新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料——碳化硅（SiC），因其出色的物理及電特性，正越來越受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。碳化硅功率器件的重要優(yōu)勢在于具有高壓(達(dá)數(shù)萬伏)、高溫(大于500℃)特性，突破了硅基功率器件電壓(數(shù)kV)和溫度(小于150℃)限制所導(dǎo)致的嚴(yán)重系統(tǒng)局限性。隨著碳化硅材料技術(shù)的進(jìn)步，各種碳化硅功率器件被研發(fā)出來，如碳化硅功率二極管、MOSFET、IGBT等，由于受成本、產(chǎn)量以及可靠性的影響，碳化硅功率器件率先在低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，目前的商業(yè)產(chǎn)品電壓等級在600~1700V。近兩年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，高壓碳化硅器件已經(jīng)問世，如19.5kV的碳化硅二極管，10kV的碳化硅MOSFET[2]和13~15kV[3-4]碳化硅IGBT等，并持續(xù)在替代傳統(tǒng)硅基功率器件的道路上取得進(jìn)步。這些碳化硅功率器件的成功研發(fā)帶來了半導(dǎo)體功率器件性能的飛躍提升，引發(fā)了新一輪技術(shù)革命，必將在眾多應(yīng)用領(lǐng)域，如電力系統(tǒng)中的高壓領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

碳化硅材料及功率器件進(jìn)展

2.1碳化硅材料

在體單晶材料方面，SiC單晶襯底已經(jīng)商品化。目前國際上已有76.2 mm和101.6 mm的SiC拋光襯底材料出售，具有批量生產(chǎn)能力的公司超過十家。高功率SiC器件的芯片面積很大(單胞面積>1cm)，需要大尺寸和低缺陷的襯底材料，尤其需要很低的微管缺陷密度。在這種需要的激勵(lì)之下并經(jīng)過長期的技術(shù)積累，困擾SiC單晶生長的微管缺陷控制技術(shù)也在2004年獲得突破。如日本Toyata公司采用“重復(fù)a面”(repeated a-face：RAF)生長技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了50.8mm SiC單晶的無微管生長，同時(shí)也將位錯(cuò)密度降低到250/cm2以下。2005年美國Intrinsic公司也獲得了零微管(Zero Micropipe，簡稱ZMP)的SiC單晶技術(shù)，并于2006年生長出無微管的76.2 mm SiC襯底材料。在并購了Intrinsic公司獲得零微管技術(shù)后，Cree公司直徑101.6 mm的4H-SiC導(dǎo)通襯底的微管密度最低達(dá)0.1/cm2，甚至零微管，使得用于制作面積為1cm2的功率器件能夠?qū)崿F(xiàn)90%以上的器件成品率。外延材料方面，SiC外延生長設(shè)備的規(guī)模也不斷增大，能夠同時(shí)生長多片大尺寸的SiC外延。例如瑞典Epigress公司的VP2800HW型熱壁式SiC外延生長系統(tǒng)能夠同時(shí)生長10片101.6 mm高質(zhì)量SiC外延，為了把SiC功率器件抵抗電壓提高到10kV，SiC外延的厚度要達(dá)到100μm。在SiC外延研究中，一個(gè)重要指標(biāo)是外延層少子壽命。少子壽命不僅反映了深能級密度和材料缺陷密度等重要外延參數(shù)，而且直接決定了高功率SiC器件的通流能力。據(jù)理論研究，20kV SiC器件中少子壽命應(yīng)在10s以上，否則通流能力很弱。

目前日本NEDO公司利用垂直型外延爐實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的厚達(dá)28μm的外延，在50.8 mm上取得了少子壽命分布圖，其平均值為1s。SiC外延技術(shù)研究的另一個(gè)重要問題是4°偏軸4H-SiC襯底上的高質(zhì)量外延生長。4°偏軸襯底憑借其成本優(yōu)勢逐漸成為大尺寸4H-SiC的主流，但與8°偏軸相比小角度偏軸襯底上外延生長的難度較高，臺階聚并(step-bunching)現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致出現(xiàn)表面形貌差、缺陷密度高以及外延材料均勻性不好等問題。美國Cree公司通過改進(jìn)生長條件和生長步驟獲得了101.6 mm 4°偏軸4H-SiC襯底上理想的外延生長工藝，缺陷密度只有2/cm2。這些外延材料參數(shù)可滿足SiC器件研究和批量生產(chǎn)的要求。

2.2碳化硅功率二極管

碳化硅功率二極管有3種類型：肖特基二極管(Schottky barrier diode，SBD)、PIN二極管和結(jié)勢壘控制肖特基二極管(junction barrier Schottky，JBS)。在5kV阻斷電壓以下的范圍，碳化硅結(jié)勢壘肖特基二極管是較好的選擇。JBS二極管結(jié)合了肖特基二極管所擁有的出色的開關(guān)特性和PIN結(jié)二極管所擁有的低漏電流的特點(diǎn)。把JBS二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝稍作調(diào)整就可以形成混合PIN-肖特基結(jié)二極管(merged PIN Schottky，MPS)。由于碳化硅二極管基本工作在單極型狀態(tài)下，反向恢復(fù)電荷量基本為零，可以大幅度地減少二極管反向恢復(fù)引起的自身瞬態(tài)損耗以及相關(guān)的IGBT開通瞬態(tài)損耗，非常適用于開關(guān)頻率較高的電路。

PIN結(jié)二極管在4~5kV或者以上的電壓時(shí)具有優(yōu)勢，由于其內(nèi)部的電導(dǎo)調(diào)制作用而呈現(xiàn)出較低的導(dǎo)通電阻，使得它比較適用于高電壓應(yīng)用場合。有文獻(xiàn)報(bào)道阻斷電壓為14.9和19.5kV的超高壓PIN二極管，其正向和反向?qū)ㄌ匦匀鐖D1所示，在電流密度為100 A/cm2時(shí)，其正向壓降分別僅為4.4和6.5V[1]。這種高壓的PIN二極管在電力系統(tǒng)，特別是高壓直流輸電領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

2.3碳化硅MOSFET器件

功率MOSFET具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性，在硅基器件中，功率MOSFET獲得巨大成功。同樣，碳化硅MOSFE也是最受矚目的碳化硅功率開關(guān)器件，其最明顯的優(yōu)點(diǎn)是，驅(qū)動(dòng)電路非常簡單及與現(xiàn)有的功率器件(硅功率MOSFET和IGBT)驅(qū)動(dòng)電路的兼容性。碳化硅功率MOSFET面臨的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)是柵氧層的長期可靠性問題和溝道電阻問題。

隨著碳化硅MOSFET技術(shù)的進(jìn)步，高性能的碳化硅MOSFET也被研發(fā)出來，已有研究結(jié)果報(bào)道了具有較大的電壓電流能力的碳化硅MOSFET器件。三菱公司報(bào)道的1.2kV碳化硅MOSFET器件的導(dǎo)通比電阻為5mΩ·cm 2，比硅基的CoolMOS的性能指數(shù)好15~20倍。美國Cree公司報(bào)道了8.1mm×8.1mm、阻斷電壓10 kV、電流20 A的碳化硅MOSFET芯片，其正向阻斷特性如圖2所示。通過并聯(lián)這樣的芯片得到的模塊可以具備100 A的電流傳輸能力[3]。該器件在20 V的柵壓下的通態(tài)比電阻為127 mΩ·cm2，同時(shí)具有較好的高溫特性，在200℃條件下，零柵壓時(shí)可以實(shí)現(xiàn)阻斷10 kV電壓。在碳化硅MOSFET的可靠性研究方面，有研究報(bào)道了在350℃下碳化硅柵氧層具有良好的可靠性[8]。如圖3所示，20年以來碳化硅MOSFET柵氧層的可靠性得到明顯提高。這些研究結(jié)果表明，柵氧層將有望不再是碳化硅MOSFET的一個(gè)瓶頸。

2.4碳化硅IGBT

在高壓領(lǐng)域，碳化硅IGBT器件將具有明顯的優(yōu)勢。由于受到工藝技術(shù)的制約，碳化硅IGBT的起步較晚，高壓碳化硅IGBT面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)：第一個(gè)挑戰(zhàn)與碳化硅MOSFET器件相同，溝道缺陷導(dǎo)致的可靠性以及低電子遷移率問題；第二個(gè)挑戰(zhàn)是N型IGBT需要P型襯底，而P型襯底的電阻率比N型襯底的電阻率高50倍。因此，1999年制成的第一個(gè)IGBT采用了P型襯底。經(jīng)過多年的研發(fā)，逐步克服了P型襯底的電阻問題，2008年報(bào)道了13 kV的N溝道碳化硅IGBT器件，比導(dǎo)通電阻達(dá)到22mΩ·cm 2[3]。圖4對15kV的N-IGBT和MOSFET的正向?qū)芰ψ隽艘粋€(gè)比較[4]，結(jié)果顯示，在結(jié)溫為300 K時(shí)，在芯片功耗密度為200 W/cm2以下的條件下，MOSFET可以獲得更大的電流密度，而在更高的功耗密度條件下，IGBT可以獲得更大的電流密度。但是在結(jié)溫為127℃時(shí)，IGBT在功耗密度為50 W/cm2以上的條件下就能夠?qū)ū萂OSFET更高的電流密度。同一年，該團(tuán)隊(duì)還報(bào)道了阻斷電壓達(dá)到12kV的P溝道碳化硅IGBT，導(dǎo)通比電阻達(dá)到14mΩ·cm 2[8]。新型高溫高壓碳化硅IGBT器件將對大功率應(yīng)用，特別是電力系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生重大的影響。在15kV以上的應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅IGBT綜合了功耗低和開關(guān)速度快的特點(diǎn)，相對于碳化硅的MOSFET以及硅基的IGBT、晶閘管等器件具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，特別適用于高壓電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。

3碳化硅功率器件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

3.1固態(tài)變壓器

隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)、智能電網(wǎng)技術(shù)以及可再生能源的發(fā)展，固態(tài)變壓器作為其中的關(guān)鍵技術(shù)受到廣泛關(guān)注。固態(tài)變壓器是一種以電力電子技術(shù)為核心的變電裝置，它通過電力電子變流器和高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞及控制，以取代電力系統(tǒng)中的傳統(tǒng)的工頻變壓器。與傳統(tǒng)變壓器相比，具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有傳統(tǒng)變壓器所不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)，包括供電質(zhì)量高、功率因數(shù)高、自動(dòng)限流、具備無功補(bǔ)償能力、頻率變換、輸出相數(shù)變換以及便于自動(dòng)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。固態(tài)變壓器的輸入側(cè)電壓等級非常高，一般在數(shù)千至數(shù)萬伏，目前多采用拓?fù)浠蚱骷?lián)的方式，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。圖5所示為10kVA的固態(tài)變壓器示意圖。新興的碳化硅電力電子器件，特別是15kV以上碳化硅MOSFET、IGBT的出現(xiàn)，將有利于固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu)簡化及可靠性提升。

總結(jié)!

在當(dāng)前節(jié)能減排的重大國際發(fā)展趨勢下，對于碳化硅功率器件而言，其優(yōu)勢明顯。可以預(yù)見，新型高壓大容量碳化硅功率器件將在高壓電力系統(tǒng)中開辟出全新的應(yīng)用，對電力系統(tǒng)的發(fā)展和變革產(chǎn)生持續(xù)的重大影響。