宽禁带半导体器件材料物理学问题.ppt

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1、宽禁带半导体电力电子器件实用化的材料物理学问题1、整流器件pn结二极管、肖特基势垒二极管电力电子器件2、开关器件1）双极器件大功率晶体管、晶闸管（GTO、GCT等）2）单极器件功率MOS、JFET（SIT）MESFET，HEMT3）复合型器件IGBT，MCT1、电力电子器件的材料优选因子（品质因子）电力电子器件对其制造材料的特性要求2、电力电子器件优选材料的特点Johnson因子：F1=ETsKeyes因子：F2=(s/r)1/2Baliga低频因子：F3=rET3或rEg3Baliga高频因子：F4=E

2、T2热优选因子：QF1=rET3=F3QF2=rET4=ETQF1=ETF3宽禁带、高临界雪崩击穿电场强度、高电子饱和漂移速度、高电子迁移率、高热导率优选原则：高频率、高耐压、大电流、低损耗10-1100101102103102103104比电阻(m.cm2)阻断电压(V)4H-SiCRS≈4UB2µnSET3功率MOS漂移区最小比电阻的理论极限Si2H-GaN电子迁移率(cm2/Vs)Si:13504H-SiC:7002H-GaN:900介电常数Si：11.84H-SiC:10.32H-GaN

3、:9.5临界雪崩击穿电场(v/cm)Si:31054H-SiC:21062H-GaN:3.3106随着GaN体单晶生长技术的成功开发，特别是200m自支撑衬底HVPE技术的产业化，GaN纵向器件的研发正在顺利展开，p-n结二极管已经达到直流100A脉冲400A的水平,其反向700V电压下的漏电流很低。小面积GaNpn二极管的阻断电压已有3.7kV和2.6kV的报道.美国2013年启动了一个名为SWITCHES(StrategiesforWideBandgap,InexpensiveTransistorsforControllin

4、gHigh-EfficiencySystems)的宽禁带器件计划，其主要目标是研制1200V/100A的二极管和晶体管，晶体管在VGS=15V的通态比电阻低达3mΩcm2。Agarwaletal.“WideBandGapSemiconductorTechnologyforEnergeEfficiency”,MaterialScienceForumVol.858，pp.797-802,(2016)SiC与GaN电力电子器件的应用领域根据SiC和GaN的材料特性和工艺成本，GaN器件比较适合于200-900V中压范围内的应用，包括电源、笔

5、记本电脑适配器和微型与10kW以内的串式光伏逆变器等；SiC功率器件的材料和工艺相对成熟，已有多种类型器件实现了商业化，因而更适合于需要900-15000V器件的应用领域，例如大功率组串式光伏逆变器和功率高达数兆瓦的中央光伏逆变器和燃料电池逆变器、电动汽车逆变器和快速充电器、大功率电机驱动,宽带并网逆变器和潮流控制器等。除了开关器件本身的低功耗产生巨大的节能效果，其耐高温特性对散热条件的宽松可使装置体积缩小。就电动车辆而言，减重10%就会增加6-7%的节能效益。应用宽禁带半导体器件的节能效果使用宽禁带半导体器件可进一步提高电机的用电频率

6、、效率以及功率密度，使电机本身及其驱动器体积大幅度缩小，不但省材，而且节能，据说SiC变速器可节电30-80%。利用SiC逆变器超短的响应时间可以实现电网的灵敏控制和监管、克服Si器件逆变器在可再生能源并网应用中反应太慢且需要大量储能的缺点，从而促进新能源的利用。2010年左右实现商品化，1200V/35A，比电阻80mcm2；2015年，6吋线1700Ｖ/80A产品室温比电阻3.1mcm2,175C6.7mcm2(VGS=20V),芯片3.1mm3.1mm，有源区面积0.069cm2。在19.5A/700V时的关断损耗

7、为110µJ,比同等级SiIGBT少20%。但是SiC功率MOS的应用推广较慢。原因除价格因素外主要是稳定性和可靠性问题，特别是零栅压下不能有效关断，材料物理方面的原因主要在栅介质方面，表现为：1）栅介质击穿2）沟道电子迁移率低4H-SiC：700-1000cm2/V.s1~7cm2/V.sSi：1350cm2/V.s弱反型750cm2/V.s，强反型500cm2/V.sSiCMOSFETs改进措施：1）介质在NO中退火，界面态密度降低一个数量级，提高到45cm2/V.s左右。2）低损伤注入技术，注入后在SiH4气氛中退火。3）在

8、C面制造器件，沟道电子迁移率高达127cm2/Vs。4）结构创新或改良，包括在漂移区采用超结结构。10-1100101102103102103104Purdue1998Siemens1999Purdue2