基于硅單晶與寬禁帶材料電力電子器件性能對比及最新發(fā)展

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y基于硅單晶與寬禁帶材料電力電子器件性能對比及最新發(fā)展動態(tài)的專題報告學院名稱： 電氣信息工程學院 專業(yè)班級： 學生姓名： 學生學號: 2016.11.16一硅單晶材料的電力電子器件性能對比1.1硅單晶材料單晶硅主要用于制作半導體元件，是制造半導體硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶體管、二極管、開關(guān)器件等。熔融的單質(zhì)硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來便結(jié)晶成單晶硅。單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅，然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。單

2、晶硅棒是生產(chǎn)單晶硅片的原材料，隨著國內(nèi)和國際市場對單晶硅片需求量的快速增加，單晶硅棒的市場需求也呈快速增長的趨勢。自晶閘管和功率晶體管問世和應(yīng)用以來，硅基半導體器件在功率處理能力和開關(guān)頻率方面不斷改善，先后誕生了 GTR、 GTO、 MOSFET 和 IGBT 等現(xiàn)代電力電子器件，對電力電子系統(tǒng)縮小體積、 降低成本起到了極其關(guān)鍵的作用1。1.2各器件性能對比1.2.1大功率晶體管（GTR）GTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)電力電子器件，產(chǎn)生于本世紀70年代，其額定值已達1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管的固有特性，又增大了功

3、率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。GTR的缺點是驅(qū)動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關(guān)電源和UPS內(nèi)，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。1.2.2門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）1964年，美國第一次試制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年內(nèi)，GTO的容量一直停留在較小水平，只在汽車點火裝置和電視機行掃描電路中進行試用。自70年代中期開始，GTO的研制取得突破，相繼出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的產(chǎn)品，目前已達9k

4、V/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTO有對稱、非對稱和逆導三種類型。與對稱GTO相比，非對稱GTO通態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強、易于提高耐壓能力(3000以上)。逆導型GTO是在同一芯片上將GTO與整流二極管反并聯(lián)制成的集成器件，不能承受反向電壓，主要用于中等容量的牽引驅(qū)動中。1.2.3功率MOSFET功率MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它是通過柵極電壓來控制漏極電流的，因而它的一個顯著特點是驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率??；僅由多數(shù)載流子導電，無少子存儲效應(yīng)，高頻特性好，工作頻率高達100kHz以上，為所有電力電子器件中頻率之最，因而最適合應(yīng)用于開關(guān)電源、高頻感應(yīng)加

5、熱等高頻場合；沒有二次擊穿問題，安全工作區(qū)廣，耐破壞性強。功率MOSFET的缺點是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運用于大功率裝置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。1.2.4絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）IGBT是由美國GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，當時容量僅500V/20A，且存在一些技術(shù)問題。經(jīng)過幾年改進，IGBT于1986年開始正式生產(chǎn)并逐漸系列化。至90年代初，IGBT已開發(fā)完成第二代產(chǎn)品。目前，第三代智能IGBT已經(jīng)出現(xiàn)，科學家們正著手研究第四代溝槽柵結(jié)構(gòu)的IGBT。IGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應(yīng)晶體管的復(fù)合。

6、通過施加正向門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT導通；反之，若提供反向門極電壓則可消除溝道、使IGBT因流過反向門極電流而關(guān)斷。IGBT集GTR通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為提高電力電子裝置的性能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。比較而言，IGBT的開關(guān)速度低于功率MOSFET，卻明顯高于GTR；IGBT的通態(tài)壓降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的電流、電壓等級與GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已達4500V/100

7、0A。由于IGBT具有上述特點，在中等功率容量(600V以上)的UPS、開關(guān)電源及交流電機控制用PWM逆變器中，IGBT已逐步替代GTR成為核心元件。另外，IR公司已設(shè)計出開關(guān)頻率高達150kHz的WARP系列400600VIGBT，其開關(guān)特性與功率MOSFET接近，而導通損耗卻比功率MOSFET低得多。該系列IGBT有望在高頻150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低開關(guān)損耗。IGBT的發(fā)展方向是提高耐壓能力和開關(guān)頻率、降低損耗以及開發(fā)具有集成保護功能的智能產(chǎn)品2。二寬禁帶半導體材料的電力電子器件性能對比2.1寬禁帶半導體材料寬禁帶半導體材料（Eg大于或等于3.2ev）被稱為第三代

8、半導體材料。主要包括金剛石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有禁帶寬度大，電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導電性能好的特點，其本身具有的優(yōu)越性質(zhì)及其在微波功率器件領(lǐng)域應(yīng)用中潛在的巨大前景，非常適用于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件?；谛滦蛯捊麕О雽w材料的電力電子器件具有更優(yōu)越的性能， 成為功率器件的研究熱點。 目前寬禁帶半導體器件中碳化硅（ SiC）和氮化鎵（GaN） 電力電子器件已有商業(yè)化產(chǎn)品， 并在某些領(lǐng)域得到應(yīng)用。2.2 SiC2.2.1 SiC 整流器件SiC 功率二極管有三種類型： 肖特基二極管（ Schottky Barrier

9、 Diode， SBD）、 PiN 二極管和結(jié)勢壘肖特基二極管（ Junction Barrier Schottky， JBS）。肖特基二極管開關(guān)速度快、導通壓降低， 但阻斷電壓偏低、 漏電流較大； PiN二極管阻斷電壓高、 漏電流小， 但工作過程中反向恢復(fù)嚴重， 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。 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（ MergedPiN Schottky， MPS）。2.2.2SiC 單極型器件（1） SiC MOSFET。 功率 MOSFET 具有理想的柵極絕

10、緣特性、高速的開關(guān)性能、低導通電阻和高穩(wěn)定性。 在 Si 基器件中，功率 MOSFET 獲得巨大成功。同樣，SiC MOSFET 也是最受矚目的 SiC 功率器件。（2） SiC JFET。 SiC JFET 是碳化硅結(jié)型場效應(yīng)管，具有導通電阻低、開關(guān)速度快、耐高溫及熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點，具有常開和常閉兩種類型。常開型 SiC JFET 在沒有驅(qū)動信號時處于導通狀態(tài)，容易造成橋臂的直通危險，降低了功率電路的安全可靠性。對此，Semisouth 公司推出了常閉型 SiC JFET，但這種器件的柵極開啟電壓閾值太低（ 典型值為 1V）， 在實際應(yīng)用中容易產(chǎn)生誤導通現(xiàn)象3。2.2.3 SiC 雙極型器件

11、（1） SiC BJT。 與傳統(tǒng)Si BJT 相比，SiC BJT具有更高的電流增益、更快的開關(guān)速度及較小的溫度依賴性， 不存在二次擊穿問題，并且具有良好的短路能力，是 SiC 可控開關(guān)器件中很有應(yīng)用潛力的器件之一。（2） SiC IGBT。 SiC MOSFET 的通態(tài)電阻隨著阻斷電壓的上升而迅速增加。 在高壓領(lǐng)域，SiC IGBT 將具有明顯的優(yōu)勢。在結(jié)溫為300K時，在芯片功耗密度為200W/cm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400K 時，IGBT 在功耗密度為 50W/cm2以上的條件下就能夠?qū)?/p>

12、通比 MOSFET 更高的電流密度。（3） SiC GTO。 在大功率開關(guān)應(yīng)用中，晶閘管以其耐壓高、通態(tài)壓降小及通態(tài)功耗低而具有較大優(yōu)勢。 對碳化硅晶閘管的研究主要集中在 GTO 上4。2.3 GaN寬禁帶半導體材料 GaN 具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、臨界擊穿電場大和化學性質(zhì)穩(wěn)定等特點。因此基于 GaN 材料制造的電力電子器件具有通態(tài)電阻小、開關(guān)速度快、高耐壓及耐高溫性能好等特點。與 SiC 材料不同， GaN 除了可以利用GaN 材料制作器件外，還可以利用 GaN 所特有的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制作高性能器件。2.3.1 GaN 整流管GaN 功率二極管包括兩種類型： GaN 肖特基二極管（

13、Schottky Barrier Diode， SBD） 和 PN 二極管。 GaN 肖特基二極管主要有三種結(jié)構(gòu)：橫向結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)和臺面結(jié)構(gòu)5。橫向結(jié)構(gòu)利用 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在不摻雜的情況下就可以產(chǎn)生電流，但橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)增加了器件的面積以及成本，并且器件的正向電流密度普遍偏小。垂直結(jié)構(gòu)是一般電力電子器件主要采用的結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生較大的電流，有很多研究機構(gòu)利用從厚的外延片上剝離下來厚的 GaN 獨立薄片做縱向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)的肖特基二極管，但是這樣的外延片缺陷密度高，制造出來的器件雖然電流較大，但是反向漏電也非常大， 導致?lián)舸╇妷号c GaN 應(yīng)達到的水平相距甚遠，因此，對于垂直結(jié)構(gòu) Ga

14、N 肖特基二極管的研究主要還是停留在仿真以及改善材料特性階段。臺面結(jié)構(gòu)，也稱為準垂直結(jié)構(gòu) 一般是在藍寶石或者SiC 襯底上外延生長不同摻雜的 GaN 層，低摻雜的n-層可以提高器件的擊穿電壓，而高摻雜的 n層是為了形成良好的歐姆接觸，這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了橫向和縱向結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，同時也存在橫向和垂直結(jié)構(gòu)的缺點，它最大的優(yōu)勢在于可以與傳統(tǒng)的工藝兼容，并且可以將尺寸做得比較大。2.3.2 GaN 高電子遷移率晶體管在 GaN 所形成的異質(zhì)結(jié)中，極化電場顯著調(diào)制了能帶和電荷的分布。即使整個異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)沒有摻雜， 也能夠在 GaN 界面形成密度高達1×1013 2×1013cm-2，且具有高遷

15、移率的二維電子氣（ 2DEG）。 2DEG 溝道比體電子溝道更有利于獲得強大的電流驅(qū)動能力， 因此 GaN 晶體管以 GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管（ HEMT） 為主， 該器件結(jié)構(gòu)又稱為高電子遷移率晶體管（ HEMT）。2.3.3 GaN MOSFET在高壓功率開關(guān)場合，橫向 GaN MOSFET 表現(xiàn)出常斷和大的導帶偏移等優(yōu)點，使得它們不易受到熱電子注入和其他可靠性問題如表面狀態(tài)和電流崩潰的影響，成為替代 SiC MOSFET 和 GaN HEMT的較好選擇。隨著 GaN 器件研究的持續(xù)升溫，采用雙極型結(jié)概念的雙向異質(zhì)結(jié) GaN 場效應(yīng)管已問世6。該 GaN 場效應(yīng)管中的肖特基和 p-n 結(jié)柵極結(jié)構(gòu)

16、排列在藍寶石絕緣基底上，器件間的隔離電壓大于 2kV，正向?qū)娮韬头聪驅(qū)娮璺謩e是24· mm 和 22· mm。三電力電子器件發(fā)展動態(tài)硅材料市場前景廣闊，中國硅單晶的產(chǎn)量、銷售收入近幾年遞增較快，以中小尺寸為主的硅片生產(chǎn)已成為國際公認的事實，為世界和中國集成電路、半導體分立器件和光伏太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了較大的貢獻。從高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域到傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，特別是一些重大工程如三峽、特高壓、高鐵、西氣東輸?shù)龋?乃至照明和家電等，硅半導體器件都起到了至關(guān)重要的作用。由此可見，硅電力電子器件待開發(fā)的應(yīng)用空間仍舊十分廣闊，市場前景仍較好。但是，硅電力電子器件本身的技術(shù)、制造工藝發(fā)展空

17、間已經(jīng)不太大了，硅基電力電子器件的水平已基本上穩(wěn)定在 109 1010W · Hz 左右， 逼近了由于寄生二極管制約所能達到的 Si 材料極限。而 SiC和 GaN 寬禁帶電力電子器件則由于其突出的優(yōu)勢，代表著電力電子器件領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。因為寬禁帶器件的使用還不夠成熟，且在價格上寬禁帶器件并沒有優(yōu)勢，而且考慮到安全性、市場使用慣性，完全接受寬禁帶器件還需要一定的時間。預(yù)計在未來至少十年內(nèi)，Si器件仍然會主導功率電子市場。參考文獻：1 錢照明， 張軍明， 盛況 電力電子器件及其應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展 J 中國電機工程報， 2014,， 34(29)：5149-51512 王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)M.北京：機械