SiC功率器件及其应用

功率器件是电力电子技术的核心，在电力电子技术朝着高频、高功率密度发展的方向上扮演着重要的角色。碳化硅（silicon carbide，SiC）器件作为一种宽禁带半导体器件，具有耐高温、高压，导通电阻低等优点，受到了广泛的关注。

图  SiC器件，摄于华润微展台

一、SiC功率器件的种类

SiC功率器件主要有SiC二极管、SiC JFET、SiC MOSFET、SiC IGBT、SiC GTO等。

1.SiC二极管

目前SiC二极管已经大量运用于商业化的电能转换装置中。SiC功率二极管有3种类型：PiN二极管、肖特基二极管（schottky barrier diode，SBD）和结势垒肖特基二极管（junction  barrier  schottky diode，JBS），其结构如下图所示：

图  3种类型SiC二极管结构示意图

JBS二极管结合了肖特基二极管在正向导通情况下单极型导电的优点及PiN结二极管反向漏电流较低的优点，在4.5kV阻断电压以下通常采用此结构。随着器件耐压的进一步提高（4.5~10kV以上），漂移区的电阻增加，限制了单极型器件性能的进一步提高，因此相比于肖特基二极管，PiN结二极管在高压场合更具优势，但SiC厚外延生长工艺会引入额外的缺陷面密度会导致PiN二极管的良率较低，控制少数载流子寿命工艺不成熟。混合PN结肖特基二极管（merged PiN schottky diode）是在JBS二极管的基础上提出的优化结构，通过加大面积P区以及P型欧姆接触设计，可以将浪涌电流能力提高2~4倍，通过优化设计及工艺改进甚至更高。

图  SiC 肖特基二极管，摄于飞瀚薪展台

2.SiC JFET

SiC JFET器件利用栅极PN结耗尽层实现开关控制，同时正常状态下单极性导电，器件拥有良好的高频特性。

图 SiC JFET器件结构示意图

相比于MOSFET器件，SiC JFET利用PN结控制栅极，为避免栅极PN结开通，栅极偏置一般不超过2.6V。SiC JFET器件无法与现有器件（MOSFETGBT）的驱动电路兼容，增加了SiC JFET器件的使用难度。USCi公司（已被Qorvo收购）为解决驱动不兼容的问题提出了源极极联JFET技术，器件结构使用了低压硅基MOSFET和SiC JFET级联的办法，使得器件的驱动可以与硅基MOSFETGBT器件兼容。

3.SiC MOSFET

SiC MOSFET是一种具有绝缘栅结构的单极性器件，关断过程不存在拖尾电流，降低了开关损耗，进而减小散热器体积，且开关速度快，开关频率高，有利于减小变换器中电感和电容的体积，提高装置的功率密度，有效降低装置的系统成本。

图  MOSFET器件结构示意图

SiC MOSFET市场上量产的产品主要分平面型（DMOSFET）和沟槽型（TMOSFET）两类。由于DMOSFET结构的沟道形成于（0001）晶面上，沟道迁移率较低，同时DMOSFET结构还存在JFET区域，导致器件的导通电阻很难得到进一步降低。TMOSFET通过在沟槽侧壁形成沟道，不仅可以提高沟道迁移率，还能消除JFET区域，实现降低器件导通电阻的目的。目前业界研究热点已逐步转向TMOSFET。目前国内外多家企业实现了SiC MOSFET器件的商业化。

图 SiC器件，摄于蓉矽半导体展台

4.SiC IGBT

在高压器件中未达到更高的开关速度，一般采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。IGBT器件与MOSFET器件相比需要将MOSFET结构中的N型衬底用P型代替，正面有源区结构和工艺和MOSFET器件相似。

图  SiC IGBT结构示意图

但由于SiC材料工艺不成熟，载流子寿命不够，SiC IGBT 存在导通电阻高、关断损耗大、良率低等缺点，且目前需要用到SiC IGBT的高压大功率应用场景较少，使得SiC IGBT目前尚未商业化。

5.SiC GTO

栅极可关断晶体管（gate turn-off thyristor，GTO）由于可以从阳极和阴极两侧同时注入少子，因此可以得到更高的电流密度。由于不存在栅氧结构，GTO器件已实现的通流能力大于IGBT器件，但仍低于直流输电等场合的容量需求，目前处于研发阶段，商业化还存在较大差距。

图  SiC GTO结构示意图

二、SiC功率器件的应用

SiC材料具有3倍与硅材料的禁带宽度，10倍于硅材料的临界击穿电场强度，3倍于硅材料的导热率，因此，SiC功率器件适合于高频、高压、高温等应用场合，且有助于电力电子系统的效率和功率密度的提升。

图  SiC功率器件主要应用场合

肖特基二极管是SiC器件最早商业化的产品。在SiC二极管器件中，0.65~1.7kV的JBS器件较为成熟，能提供超过100A电流的单管芯片，满足光伏逆变、电动汽车以及风力发电场合的应用。SiC的PiN二极管器件不常见，因为在更高电压（3.3kV甚至更高）才有存在的价值。

在开关器件中，JFET器件一般使用USCi公司的级联结构，其特性与MOSFET相似，但驱动对开关速度等参数的控制能力削弱。MOSFET器件逐步推向市场，在光伏逆变、风力发电、电动汽车上应用。直流输电等超高压大电流的工作状态需要IGBT器件和GTO器件，但距离产业化和大规模使用还有较大差距。

来源：碳化硅功率器件技术综述与展望，盛况等