2014年碳化硅电力电子器件发展现状分析

　　在过去的十五到二十年中，碳化硅电力电子器件领域取得了令人瞩目的成就，所研发的碳化硅器件的性能指标远超当前硅基器件，并且成功实现了部分碳化硅器件的产业化，在一些重要的能源领域开始逐步取代硅基电力电子器件，并初步展现出其巨大的潜力。碳化硅电力电子器件的持续进步将对电力电子技术领域的发展起到革命性的推动作用。随着SiC 单晶和外延材料技术的进步，各种类型的SiC器件被开发出来。SiC器件主要包括二极管和开关管。SiC二极管主要包括肖特基势垒二极管及其新型结构和 PiN型二极管。SiC开关管的种类较多，具有代表性的开关管有金属氧化物半导体场效应开关管（MOSFET）、结型场效应开关管（JFET）、绝缘栅双极开关管（IGBT）三种。

　　SiC电力电子器件中，SiC二极管最先实现产业化。2001年德国Infineon公司率先推出SiC二极管产品，美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本，罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。很多企业在开发肖特基势垒二极管（SBD）和JBS结构二极管。目前，SiC二极管已经存在600V~1700V电压等级和50A电流等级的产品。

　　参看中国报告大厅发布的《2011-2015年中国电力电子器件行业运营态势与投资潜力研究报告》

　　SiC肖特基二极管能提供近乎理想的动态性能。做为单子器件，它的工作过程中没有电荷储存，因此它的反向恢复电流仅由它的耗尽层结电容造成，其反向恢复电荷以及其反向恢复损耗比Si超快恢复二极管要低一到两个数量级。更重要的是，和它匹配的开关管的开通损耗也可以得到大幅度减少，因此提高电路的开关频率。另外，它几乎没有正向恢复电压，因而能够立即导通，不存在双极型器件的开通延时现象。在常温下，其正态导通压降和Si超快恢复器件基本相同，但是由于SiC肖特基二极管的导通电阻具有正温度系数，这将有利于将多个SiC肖特基二极管并联。在二极管单芯片面积和电流受限的情况下，这可以大幅度提高SiC肖特基二极管的容量，使它在较大容量中的应用成为可能。目前实验室报道的最大容量的SiC二极管已经达到了6500V/1000A的水平。由于SiC开关管的发展相对二极管滞后，当前更普遍的做法是将SiC二极管和SiIGBT和MOSFET器件封装在一个模块中以形成大功率开关组合。目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon 公司、Rohm公司的SiC肖特基二极管用于变频或逆变装置中替换硅基快恢复二极管，显著提高了工作频率和整机效率。中低压SiC肖特基二极管目前已经在高端通讯开关电源、光伏并网逆变器领域上产生较大的影响。

　　SiC肖特基二极管的发展方向是衬底减薄技术和TrenchJBS结构。衬底减薄技术能够有效地减小低压SiC肖特基二极管的导通电阻，增强器件浪涌电流能力，减小器件热阻。Infineon公司于2012年9月发布第五代SiCSBD产品，首次采用衬底减薄技术。在SiC晶格里，JBS结构中离子注入p阱的深度受到限制（《1um），反偏条件下浅p-n结对肖特基结的屏蔽作用不是特别明显，只有在相邻p阱之间的间距较小时才能突显出来，但同时带来的正向导通沟道宽度变窄效应使得正向导通压降显著增加。为了解决这一问题，新一代SiC肖特基二极管的发展方向是TrenchJBS结构。Cree公司新一代SiC肖特基二极管同时采用TrenchJBS结构和衬底减薄技术，与传统的JBS二极管相比，正反向特性都得到了改善，不仅增加了电流密度（芯片面积减小50%）;也提高了阻断电压（提高150V）和雪崩能力。

　　碳化硅JFET有着高输入阻抗、低噪声和线性度好等特点，是目前发展较快的碳化硅器件之一，并且率先实现了商业化。与MOSFET器件相比，JFET器件不存在栅氧层缺陷造成的可靠性问题和载流子迁移率过低的限制，同时单极性工作特性使其保持了良好的高频工作能力。另外，JFET器件具有更佳的高温工作稳定性和可靠性。碳化硅JFET器件的门极的结型结构使得通常JFET的阈值电压大多为负，即常通型器件，这对于电力电子的应用极为不利，无法与目前通用的驱动电路兼容。美国Semisouth公司和Rutgers大学通过引入沟槽注入式或者台面沟槽结构（TIVJFET）的器件工艺，开发出常断工作状态的增强型器件。但是增强型器件往往是在牺牲一定的正向导通电阻特性的情况下形成的，因此常通型（耗尽型）JFET更容易实现更高功率密度和电流能力，而耗尽型JFET器件可以通过级联的方法实现常断型工作状态。级联的方法是通过串联一个低压的Si基MOSFET来实现。级联后的JFET器件的驱动电路与通用的硅基器件驱动电路自然兼容。级联的结构非常适用于在高压高功率场合替代原有的硅IGBT器件，并且直接回避了驱动电路的兼容问题。

　　目前，碳化硅JFET器件以及实现一定程度的产业化，主要由Infineon和SiCED公司推出的产品为主。产品电压等级在1200V、1700V，单管电流等级最高可以达20A，模块的电流等级可以达到100A以上。2011年，田纳西大学报到了50kW的碳化硅模块，该模块采用1200V/25A 的SiCJFET并联，反并联二极管为SiCSBD。2011年，GlobalPowerElectronics研制了使用SiCJFET制作的高温条件下SiC三相逆变器的研究，该模块峰值功率为50kW（该模块在中等负载等级下的效率为98.5%@10kHz、 10kW，比起Si模块效率更高。2013年Rockwell公司采用600V/5AMOS增强型JFET以及碳化硅二极管并联制作了电流等级为25A的三相电极驱动模块，并与现今较为先进的IGBT、pin二极管模块作比较：在同等功率等级下（25A/600V），面积减少到60%，该模块旨在减小通态损耗以及开关损耗以及功率回路当中的过压过流。

　　碳化硅MOSFE一直是最受瞩目的碳化硅开关管，它不仅具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性，而且其驱动电路非常简单，并与现有的电力电子器件（硅功率MOSFET和IGBT）驱动电路的兼容性是碳化硅器件中最好的。

　　SiCMOSFET器件长期面临的两个主要挑战是栅氧层的长期可靠性问题和沟道电阻问题。其中沟道电阻大导致导通时的损耗大，为减少导通损耗而降低导通电阻和提高栅氧层的可靠性的研发一直在进行。降低导通电阻的方法之一是提高反型沟道的载流子迁移率，减小沟道电阻。为了提高碳化硅MOSFET栅氧层的质量，降低表面缺陷浓度，提高载流子数量和迁移率，一种最通用的办法是实现生长界面的氮注入，也被称为界面钝化，即在栅氧层生长过程结束后，在富氮的环境中进行高温退火，这样可以实现沟道载流子迁移率的提高，从而减小沟道电阻，减小导通损耗。降低导通电阻的方法之二是采用在栅极正下方开掘沟槽的沟槽型栅极结构。目前已经投产的SiCMOSFET都是“平面型”。平面型在为了降低沟道电阻而对单元进行微细化时，容易导致JFET电阻增大的问题，导通电阻的降低方面存在一定的局限性。而沟槽型在构造上不存在JFET电阻。因此，适于降低沟道电阻、减小导通电阻，但是Si沟槽型MOSFET目前尚未解决沟槽刻蚀之后侧壁沟道的表面问题。

　　美国Cree和日本Rohm公司已经能提供业界领先的碳化硅的MOSFET器件。美国已经将碳化硅 MOSFET器件应用于开发2.7MVA的固态功率变电站，该固态功率变电站可能将被应用于美国下一代航空母舰CVN-21的配电系统中。采用全碳化硅功率模块，可以使传统的低频（60Hz）变压器转变为高频（20kHz）固态功率变电站，预计使变压器的重量由6吨降低到1.7吨，体积从10立方米降低到 2.7立方米，大大提高舰船系统的性能。2012年，日本三菱电机通过使用碳化硅制造的MOSFET和肖特基二极管，研发出一个达11kW逆变器，它比基于硅器件制造的逆变器，降低能源损耗达七成，输出功率为10W/cm3。日本三菱电机报道了使用强制风冷的三相400V输出全碳化硅逆变器，采用了碳化硅 JFET和碳化硅肖特基势垒二极管，这套装置的功率密度达到了50kVA/升，远高于传统的硅基装置。2013年3月美国Cree发布第2代 SiCMOSFET。与第1代产品相比，通过缩小芯片面积等手段压缩了成本。以耐压为1.2kV的品种为例，第2代芯片面积比第1代缩小了约40%。