近年来,SiC 功率器件结构设计和制造工艺日趋完善,已经接近其材料特性决定的理论极限,依靠 Si 器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。本文首先介绍了 SiC 功率半导体器件技术发展现状及市场前景,其次阐述了 SiC 功率器件发展中存在的问题,最后介绍了 SiC 功率半导体器件的突破。

SiC 功率半导体器件技术发展现状

1、碳化硅功率二极管

碳化硅功率二极管有三种类型:肖特基二极管(SBD)、PiN 二极管和结势垒控制肖特基二极管(JBS)。由于存在肖特基势垒,SBD 具有较低的结势垒高度。因此,SBD 具有低正向电压的优势。SiC SBD 的出现将 SBD 的应用范围从 250 V 提高到了 1200 V。同时,其高温特性好,从室温到由管壳限定的 175℃,反向漏电流几乎没有增加。在 3 kV 以上的整流器应用领域,SiC PiN 和 SiC JBS 二极管由于比 Si 整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度以及更小的体积和更轻的重量而备受关注。

 

2、单极型功率晶体管,碳化硅功率 MOSFET 器件

硅功率 MOSFET 器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在 300V 以下的功率器件领域,是首选的器件。有文献报道已成功研制出阻断电压 10 kV 的 SiC MOSFET。研究人员认为,碳化硅 MOSFET 器件在 3kV~5 kV 领域将占据优势地位。尽管遇到了不少困难,具有较大的电压电流能力的碳化硅 MOSFET 器件的研发还是取得了显著进展。

 

另外,有报道介绍,碳化硅 MOSFET 栅氧层的可靠性已得到明显提高。在 350℃条件下有良好的可靠性。这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是碳化硅 MOSFET 的一个显著的问题。

 

3、碳化硅绝缘栅双极晶体管(SiC BJT、SiC IGBT)和碳化硅晶闸管(SiC Thyristor)

最近报道了阻断电压 12kV 的碳化硅 P 型 IGBT 器件,并具有良好的正向电流能力。碳化硅 IGBT 器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。与 Si 双极型晶体管相比,SiC 双极型晶体管具有低 20~50 倍的开关损耗以及更低的导通压降。SiC BJT 主要分为外延发射极和离子注入发射极 BJT,典型的电流增益在 10-50 之间。

 

关于碳化硅晶闸管,有报道介绍了 1 平方厘米的晶闸管芯片,阻断电压 5kV,在室温下电流 100A(电压 4.1V),开启和关断时间在几十到几百纳秒。

 

  

 

SiC 功率器件市场前景广阔

2014 年全球 Si 功率器件市场规模约 150 亿美元, 其中 SiC 功率器件为 1.2 亿美元,不到 Si 功率器件的 1%。 SiC 器件 2014 年总市场规模约为 1.33 亿美元,至 2020 年市场规模可达 4.36 亿美元,年复合增长率为 22%。

 

预测,至 2025 年:碳化硅 MOSFET 市场规模将会超越 3 亿美元,成为仅次于碳化硅肖特基二极体的第二大碳化硅离散功率元件;SiC FETs 与 BJTs 产品获得市场信赖,但多应用于专业或小众产品,规模远低于 SiC MOSFET 市场;结合 SiC 二极管与 Si IGBT 所形成的混合式 SiC 功率模组, 2015 年该产品市场销售额约为 3,800 万美元,预计 2025 年销售额将会突破 10 亿美元。

 

 

SiC 功率器件发展中存在的问题

1、在商业化市场方面:

(1)昂贵的 SiC 单晶材料。由于 Cree 公司技术性垄断,一片高质量的 4 英寸 SiC 单晶片的售价约 5000 美元,然而相应的 4 英寸 Si 片售价仅为 7 美元。如此昂贵的 SiC 单晶片已经严重阻碍了 SiC 器件的发展。

(2)Cree 公司的技术垄断。由于 Cree 公司在世界各国申请了许多专利,严重制约了其他公司在 SiC 领域的发展。

 

2、在技术方面:

(1)SiC 单晶材料虽然在导致 SiC 功率半导体性能和可靠性下降的致命缺陷微管密度降低和消除方面近年来取得很大进展,但位错缺陷等其他缺陷对元件特性造成的影响仍未解决。

(2)SiC 器件可靠性问题。SiC MOSFET 器件目前存在两个主要技术难点没有完全突破:低反型层沟道迁移率和高温、高电场下栅氧可靠性。与 Si MOSFET 相比,体现不出 SiC MOSFET 的优势。

(3)高温大功率 SiC 器件封装问题。

 

 

 

功率半导体的 SiC 之路期待突破

电力电子器件的发展历史大致可以分为三个大阶段:硅晶闸管(可控硅)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和刚显露头角的碳化硅(SiC)系列大功率半导体器件。晶闸管发展已有近六十年历史,技术成熟也得到广泛应用,可以借鉴它的历史来预测碳化硅功率器件。想当初 IGBT 兴起时,与晶闸管参数指标相差极大,晶闸管已能做到 2-3KV、2-3KA 时,IGBT 仅仅是电流过百、电压过千。在短短的二十几年间,IGBT 从第一代迅速发展到第六代,电压和电流已与晶闸管并驾齐驱,显示出 IGBT 优越性能。

 

晶闸管能干的 IGBT 全能干、IGBT 能干的晶闸管干不了,在相当大的一片应用领域里 IGBT 因其不可替代的优越性能独居鳌头。但是晶闸管仍以其比较高的性价比守住了自己的大片阵地。碳化硅材料技术的进展已使部分碳化硅功率器件用于实际成为可能。但还有许多关键的技术问题需要解决。晶闸管电流从小到大、电压从低到高经历了数十年的风风雨雨,IGBT 也有这样的一个不凡的过程。可见 SiC 功率器件的发展也会有一个漫长的过程。