基于硅單晶與寬禁帶材料電力電子器件性能對(duì)比及最新發(fā)展

1、JI 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(duì)比及最新發(fā)展動(dòng)態(tài)的專題報(bào)告學(xué)院名稱：電氣信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí):學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號(hào)：2016.11.1硅單晶材料的電力電子器件性能對(duì)比1.1硅單晶材料單晶硅主要用于制作半導(dǎo)體元件，是制造半導(dǎo)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(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長(zhǎng)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(zhǎng)出棒狀單晶硅。單晶硅棒是生產(chǎn)單晶

2、硅片的原材料，隨著國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)對(duì)單晶硅片需求量的快速增加，單晶硅棒的市場(chǎng)需求也呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。自晶閘管和功率晶體管問世和應(yīng)用以來，硅基半導(dǎo)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(duì)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(duì)比1.2.1大功率晶體管（GTRGTR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(jì)70年代，其額定值已達(dá)1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電

3、路靈活、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時(shí)間短，在電源、電機(jī)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勺缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)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 MOSFE和IGBT所代替。1.2.2門極可關(guān)斷晶閘管（GTO1964年，美國(guó)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(diǎn)火裝置和電視機(jī)行掃描電路中進(jìn)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(dá) 9kV/25kA/800Hz

4、 及 6Hz/6kA/1kHz的水平。GTC有對(duì)稱、非對(duì)稱和逆導(dǎo)三種類型。與對(duì)稱GTC相比，非對(duì)稱GTOI態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強(qiáng)、易于提高耐壓能力（3000 V以上）。逆導(dǎo)型GTC是在同一芯片上將 GTC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(dòng)中。1.2.3 功率 MOSFET功率MOSFET!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(gè) 顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率?。粌H由多數(shù)載流子導(dǎo)電，無少子存儲(chǔ)效應(yīng)，高頻特性好，工作頻率高達(dá)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)加熱等高頻

5、場(chǎng)合；沒有二次擊穿問題，安全工作區(qū)廣，耐破壞性強(qiáng)。功率MOSFE的缺點(diǎn)是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運(yùn)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(guó)GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，當(dāng)時(shí)容量?jī)H 500V/20A，且存在一些技術(shù) 問題。經(jīng)過幾年改進(jìn)，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(xué)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(chǎng)效應(yīng)晶體管的復(fù)合。通過施

6、加正向門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT導(dǎo)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MOSFE驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)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MOSFE低得多；IGBT的電流、電壓等級(jí)與 GTR接近，而比功率 MOSFE高。目前，其研制水平 已達(dá)4500V/1000A

7、。由于IGBT具有上述特點(diǎn)，在中等功率容量（600V以上）的UPS開關(guān)電源及交流電機(jī)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(jì)出開關(guān)頻率高達(dá) 150kHz 的WAR系列400600VIGBT,其開關(guān)特性與功率 MOSFE接近，而導(dǎo)通損耗卻比功率MOSFE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(hù)功能的智能產(chǎn)品2。二寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件性能對(duì)比2.1寬禁帶半導(dǎo)體材料寬禁帶半導(dǎo)體材料（Eg大于或等于3.2ev ）被稱為第三代半

8、導(dǎo)體材料。主要包括金剛石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)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(dǎo)電性能好的特點(diǎn)，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。基于新型寬禁帶半導(dǎo)體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(diǎn)。目前得到應(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 Diode ， SBD）、 PiN 二極管和 結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管（ Junction Barrie

9、r Schottky ， JBS ）。肖特基二極管開關(guān)速度快、導(dǎo)通壓降低，漏電流小， 但工作過程中反向恢復(fù)嚴(yán)重，PiN 結(jié)二極管所擁有的低漏電流的特點(diǎn)。PiN- 肖特基結(jié)二極管（ MergedPiN但阻斷電壓偏低、 漏電流較大； PiN 二極管阻斷電壓高、 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 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 Schottky ， MPS）。2.2.2SiC 單極型器件（1）SiC MOSFET。 功率 MOSFET 具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)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

10、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(chǎng)效應(yīng)管，具有導(dǎo)通電阻低、開關(guān)速度快、耐高溫及熱穩(wěn)定 性高等優(yōu)點(diǎn)，具有常開和常閉兩種類型。常開型 SiC JFET 在沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，容易造成橋臂的直通危險(xiǎn)，降低了功率電路的安全可靠性。對(duì)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(shí)際應(yīng)用中容易產(chǎn)生誤導(dǎo)通現(xiàn)象 3 。2.2.3 SiC 雙極型器件 （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

11、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(shì)。在結(jié)溫為300K時(shí)，在芯片功耗密度為 200W/cm以下的條件下，MOSFE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(shí)， IGBT在功耗密度為50W/cm2以上的條件下就能夠?qū)ū萂OSFET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

12、耐壓高、 通態(tài)壓降小及通態(tài)功耗低而具有較大優(yōu)勢(shì)。對(duì)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(dǎo)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(chǎng)大和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。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(diǎn)。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 (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)

13、、垂直結(jié)構(gòu)和臺(tái)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(jī)構(gòu)利用從厚的外延片上剝離下來厚的GaN獨(dú)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(dǎo)致?lián)舸╇妷号cGaN應(yīng)達(dá)到的水平相距甚遠(yuǎn)，因此，對(duì)于垂直結(jié)構(gòu) GaN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(tái)面結(jié)構(gòu)，也稱為準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)一般是在藍(lán)寶石或者 SiC襯底上外延生長(zhǎng)不同摻雜的

14、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(diǎn)，同時(shí)也存在橫向和垂直結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，它最大的優(yōu)勢(shì)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。232 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(chǎng)顯著調(diào)制了能帶和電荷的分布。即使整個(gè)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(dá)1X 10132X 1013cm 2，且具有高遷移率的二維電子氣(2DEG)。2DEG溝道比體電子溝道更有利于獲得強(qiáng)大的電流驅(qū)動(dòng)能力，因此GaN晶體管以GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)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

15、管(HEME。2.3.3 GaN MOSFET在高壓功率開關(guān)場(chǎng)合，橫向GaN MOSFET表現(xiàn)出常斷和大的導(dǎo)帶偏移等優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)效應(yīng)管已問世6。該2kV,GaN場(chǎng)效應(yīng)管中的肖特基和 p-n結(jié)柵極結(jié)構(gòu)排列在藍(lán)寶石絕緣基底上，器件間的隔離電壓大于正向?qū)娮韬头聪驅(qū)娮璺謩e是24 mm和22mm三電力電子器件發(fā)展動(dòng)態(tài)硅材料市場(chǎng)前景廣闊，中國(guó)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(guó)際

16、公認(rèn)的事實(shí)，為世界和中國(guó)集成電路、半導(dǎo)體分立器件和光伏太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了較大的貢獻(xiàn)。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 等，乃至照明和家電等，硅半導(dǎo)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(chǎng)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1091010W Hz左右，逼近了由于寄生二極管制約所能達(dá)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(shì)，代表著電力電子器件領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。因?yàn)閷捊麕骷氖褂眠€不夠成熟，且在價(jià)格上寬禁帶器件并沒有優(yōu)勢(shì)，而且考慮到安全性、市場(chǎng)使用慣性，完全接受寬禁帶器件還需要一定的時(shí)間。預(yù)計(jì)在未來至少十年內(nèi)，Si器件仍然會(huì)主導(dǎo)功率電子市場(chǎng)。參考文獻(xiàn)：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(guó)電機(jī)工程報(bào)，2014,34(29) : 5149-5151 .2 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)