资源描述：
《SiC功率半导体器件的优势及发展前景.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、SiC功率半导体器件的优势 及发展前景中国科学院半导体研究所刘忠立报告内容1.Si功率半导体器件的发展历程及限制2.SiC功率半导体器件的优势3.SiC功率半导体器件的发展前景1.Si功率半导体器件的发展历程及限制Si功率半导体器件的发展经历了如下三代:第一代-Si双极晶体管(BJT)、晶闸管（SCR）及其派生器件。功率晶闸管用来实现大容量的电流控制，在低频相位控制领域中已得到广泛应用。但是,由于这类器件的工作频率受到dV/dt、di/dt的限制，目前主要用在对栅关断速度要求较低的场合（在KHz范围）。在较高的工作频率，一般采用功率双极结晶
2、体管，但是对以大功率为应用目标的BJT，即使采用达林顿结构，在正向导通和强迫性栅关断过程中，电流增益β值一般也只能做到<10，结果器件需要相当大的基极驱动电流。此外，BJT的工作电流密度也相对较低（～50A/cm2），器件的并联使用困难，同时其安全工作区（SOA）受到负阻引起的二次击穿的限制。第二代-功率MOSFET。MOSFET具有极高的输入阻抗，因此器件的栅控电流极小（IG~100nA数量级）。MOSFET是多子器件，因而可以在更高的频率下（100KHz以上）实现开关工作，同时MOSFET具有比双极器件宽得多的安全工作区。正是因为这些优
3、点，使功率MSOFET从80年代初期开始得到迅速发展，已形成大量产品，并在实际中得到广泛的应用。但是，功率MOSFET的导通电阻rON以至于跨导gm比双极器件以更快的速率随击穿电压增加而变坏,这使它们在高压工作范围处于劣势。第三代-绝缘栅双极晶体管(IGBT)。它是一种包括MOSFET以及双极晶体管的复合功率半导体器件,兼有功率MOSFET和双极晶体管的优点。自1982年由美国GE公司提出以来，发展十分迅速。商用的高压大电流IGBT器件仍在发展中，尽关德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用,但其电压
4、和电流容量还不能完全满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压达到10KV以上,目前只能通过IGBT串联等技术来实现。如上所述,尽管Si功率半导体器件经过半个世纪的发展取得了令人瞩目的成绩,但是由于Si材料存在难以克服的缺点,它们使Si功率半导体器件的发展受到极大的限制。首先,Si的较低的临界击穿场强Ec,限制了器件的最高工作电压以及导通电阻,受限制的导通电阻使Si功率半导体器件的开关损耗难以达到理想状态。Si较小的禁带宽度Eg及较低的热导率λ,限制了器件的最高工作温度(~200ºC)及最大功率。为了满足不
5、断发展的电力电子工业的需求,以及更好地适应节能节电的大政方针,显然需要发展新半导体材料的功率器件。2.SiC功率半导体器件的优势SiC是一种具有优异性能的第三代半导体材料,与第一、二代半导体材料Si和GaAs相比，SiC材料及器件具有以下优势：1)SiC的禁带宽度大（是Si的3倍，GaAs的2倍）,本征温度高,由此SiC功率半导体器件的工作温度可以高达600°C。2)SiC的击穿场强高（是Si的10倍,GaAs的7倍）,SiC功率半导体器件的最高工作电压比Si的同类器件高得多;由于功率半导体器件的导通电阻同材料击穿电场的立方成反比,因此Si
6、C功率半导体器件的导通电阻比Si的同类器件的导通电阻低得多,结果SiC功率半导体器件的开关损耗便小得多。最小导通电阻当今水平（T-MAX):Si-MOSFET:560mΩSiC-FET:50mΩ(6mΩ)理论极限（T-MAX):Si-MOSFET:≈400mΩSiC-FET:≈1mΩ击穿电压/V导通电阻Ωcm²示例3)SiC的热导率高（是Si的2.5倍,GaAs的8倍），饱和电子漂移速度高（是Si及GaAs的2倍）,适合于高温高频工作。碳化硅和硅性质比较的图示导热性（W/cmK)饱和速（cm/s）带隙（eV）碳化硅--立方晶体(一种)和六方
7、晶系（4H,6H等多种)击穿范围(MV/cm)电子迁移率(*10³cm²/Vs)硅--面心立方晶体SiC同Si一样,可以直接采用热氧化工艺在SiC表面生长热SiO2,由此可以同Si一样,采用平面工艺制作各种SiCMOS相关的器件,包括各种功率SiCMOSFET及IGBT。与同属第三代半导体材料的ZnO、GaN等相比，SiC已经实现了大尺寸高质量的商用衬底，以及低缺陷密度的SiC同质或异质结构材料,它们为SiC功率半导体器件的产业化奠定了良好的基础。下面就一些SiC典型器件对其优势进行分析:1)P-i-N二极管P-i-N二极管是广泛采用的电力
8、电子高压整流元件。Si的P-i-N二极管主要靠厚的本征i飘移区维持反向高压,厚的本征i区增加了正向导通压降。对于SiC的情形,在相同反向耐压时,飘移区的掺杂浓度可以高很多,其厚度
