新一代電力電子sic和gan

新一代電力電子sic和gan

0sic器件的熱性能目前，主要的seigtb固體設(shè)備正在開(kāi)發(fā)中，關(guān)斷電壓為1.2.65kv。經(jīng)過(guò)三十年的發(fā)展,SiIGBT已達(dá)到性能和器件結(jié)構(gòu)的極限,而隨著電動(dòng)汽車(chē)、光伏和風(fēng)能綠色能源、智能電網(wǎng)等新的應(yīng)用發(fā)展,要求電力電子器件性能上的新的飛躍。20世紀(jì)90年代中期,低微管缺陷密度的SiC寬禁帶半導(dǎo)體材料的突破,使發(fā)展新一代電力電子器件成為可能。寬禁帶的材料結(jié)構(gòu)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件低漏電、高工作溫度和抗輻照等性能的改善。寬禁帶半導(dǎo)體SiC具有比Si高一個(gè)量級(jí)的臨界擊穿電場(chǎng),意味著SiC電力電子器件的關(guān)斷漂移層能更薄和具有更高的摻雜濃度,導(dǎo)致和Si同等器件相比具有低一個(gè)量級(jí)的導(dǎo)通電阻;更高的載流子飽和速度導(dǎo)致更高的工作頻率;更高的熱導(dǎo)率將改善熱耗散,使器件可工作在更高的功率密度。在6.5kV以下,SiC電力電子器件具有比Si同類(lèi)器件更低的損耗和更高的工作頻率;在6.5kV以上高壓應(yīng)用領(lǐng)域,關(guān)斷電壓已突破10kV,正在開(kāi)發(fā)15kV,未來(lái)有望突破30kV,人們期待的兆瓦級(jí)電力電子學(xué)已成為可能。21世紀(jì)初,4H-SiC肖特基二極管已商用化,比Si的同類(lèi)器件的導(dǎo)通電阻要低兩個(gè)量級(jí),在關(guān)斷電壓600~1500V的范圍可替代Sipin二極管。目前SiC功率開(kāi)關(guān)晶體管總體處于開(kāi)發(fā)之中,SiCDMOSFET最成熟,SiCGTO晶閘管次之,SiCIGBT不久將成熟;而針對(duì)特色應(yīng)用,SiCBJT和SiCJFET也處于開(kāi)發(fā)和走向商用化的階段。簡(jiǎn)言之,SiC新一代電力電子器件正處于快速發(fā)展期,目前是我國(guó)發(fā)展該新型電力電子的極好機(jī)遇。1sicbsd的熱壁cvd1992年第一只高壓SiC肖特基二極管(SBD)誕生,其關(guān)斷電壓400V,外延層厚10μm,摻雜濃度為3.6×1016cm-3。此后SiC襯底由6H-SiC向具有更高電子遷移率的4H-SiC的轉(zhuǎn)變,采用肖特基勢(shì)壘周邊注入形成高阻保護(hù)環(huán)終端技術(shù),使SiCSBD的關(guān)斷電壓達(dá)到1000V;采用了具有更高勢(shì)壘的Ni和Pt金屬,改善了SiC肖特基二極管的電流密度。熱壁CVD生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展顯著改善了SiC外延層的質(zhì)量,有助于控制高壓SiC肖特基二極管的反向漏電,2000年報(bào)道了在熱壁CVD生長(zhǎng)的43μm厚的SiC外延層上,研制出直徑300μm,關(guān)斷電壓3.85kV的SBD,在100A/cm2的電流密度下的導(dǎo)通壓降為3.9V。利用硼離子注入的可控激活所形成的結(jié)終端延伸技術(shù)(JTE),在SiCSBD的導(dǎo)通和關(guān)斷性能之間實(shí)現(xiàn)了較好的折中,器件性能和可靠性有了進(jìn)一步改善,使其走向商品化。2000年報(bào)道了關(guān)斷電壓600V,芯片面積為2.25mm2的SiCSBD的比導(dǎo)通電阻(Ron,sp)為2.1Ω·cm2,額定電流6A,其呈現(xiàn)了具有雪崩條件下的工作能力,工作1000h后器件的正反向特性穩(wěn)定。2002年報(bào)道了SiCSBD的新進(jìn)展,采用外延層厚13μm,摻雜濃度為3.3×1015/cm3,硼注入終端和Ni肖特基勢(shì)壘的SiCSBD,其關(guān)斷電壓達(dá)到1720V。采用外延層厚50μm,摻雜濃度為7.0×1014/cm3,硼注入終端和Ni肖特基勢(shì)壘的SiCSBD,其關(guān)斷電壓為5kV。芯片面積為8mm×8mm,外延層厚15μm,摻雜濃度為5.0×1015/cm3,硼注入終端、Pt肖特基勢(shì)壘和2μm厚Au的SiCSBD,其最大電流達(dá)130A,導(dǎo)通電壓降為3.25V,關(guān)斷電壓為300V。SiCSBD適合于關(guān)斷電壓在600~1500V范圍內(nèi)。關(guān)斷電壓大于3kV時(shí),SiCpin二極管具有優(yōu)于Sipin二極管的特點(diǎn):高電流密度下導(dǎo)通壓降低、開(kāi)關(guān)速度快和高溫穩(wěn)定性好。熱壁CVD方法解決了高純、低缺陷密度和具有較高少子壽命SiC外延層的生長(zhǎng)關(guān)鍵技術(shù),優(yōu)化JTE技術(shù)中硼的注入劑量;采用理論預(yù)計(jì)值的75%,使器件擊穿電壓穩(wěn)定提高,1997年報(bào)道了關(guān)斷電壓為3kV的SiCpin二極管。1998年報(bào)道了關(guān)斷電壓為5.5kV的SiCpin二極管,外延生長(zhǎng)了厚85μm,摻雜濃度為1.0×1014~7.0×1014/cm3的n區(qū)和陽(yáng)極p+區(qū);在正向?qū)〞r(shí)p+區(qū)可向n區(qū)注入空穴以利導(dǎo)通。1999年報(bào)道了經(jīng)改善JTE和接觸電阻,關(guān)斷電壓為5.5kV的SiCpin二極管,在電流密度1000A/cm2時(shí)的導(dǎo)通上升時(shí)間為1.5μs,反向恢復(fù)時(shí)間大于1.5μs。在大電流密度2kA/cm2時(shí)的微分比導(dǎo)通電阻為1~2mΩ·cm2;表明器件的漂移區(qū)有很好的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。2000年報(bào)道了8.6kV的SiCpin二極管,器件的基本結(jié)構(gòu)和5.5kV的相同,n區(qū)厚100μm,摻雜濃度為1.0×1014~3.0×1014/cm3,p+區(qū)厚2.5μm,摻雜濃度為3.0×1018/cm3,采用臺(tái)面JTE技術(shù)。在625mΩ·cm2的高阻漂移區(qū)條件下,其微分比電阻僅為18~25mΩ·cm2。從25℃升至300℃,器件在5kV的反向漏電僅增加一個(gè)量級(jí)(2×10-2A/cm2)。2006年報(bào)道了180A/4.5kV的大電流SiCpin二極管,在高質(zhì)量3英寸(1英寸=2.54cm)4H-SiC襯底上(微管缺陷密度為0.2個(gè)/cm2,在圓片70%的中心區(qū)為0.03個(gè)/cm2),腐蝕形成400nm深的六角形圖形表面,使外延后的螺旋形底面位錯(cuò)密度下降了一個(gè)量級(jí)(20個(gè)/cm2)。外延n-區(qū)厚50μm,摻雜濃度為2.0×1014/cm3,p+區(qū)厚2.5μm,摻雜濃度為8.0×1018/cm3,采用臺(tái)面Al注入多區(qū)JTE技術(shù)。對(duì)芯片面積為1.5cm×1.5cm的器件進(jìn)行反向恢復(fù)特性的測(cè)量,從正向?qū)娏?80A以300A/μs的轉(zhuǎn)換速率到反向偏壓-100V,其反向恢復(fù)時(shí)間為320ns。器件在常溫180A時(shí)的正向壓降為3.17V,并進(jìn)行了正向壓降穩(wěn)定性試驗(yàn),給器件持續(xù)施加90A正向電流應(yīng)力120h后,正向壓降無(wú)變化。2012年報(bào)道了12~20V超高電壓的SiCpin二極管,在n+4H-SiC襯底上外延n-區(qū)厚186μm,摻雜濃度為2.3×1014/cm3,2.2μm厚的陽(yáng)極p+區(qū)和接觸層的摻雜濃度分別為5.0×1018/cm3和1.0×1019/cm3。在SiO2/SiC界面附近的電荷嚴(yán)重影響采用單區(qū)JTE器件的擊穿電壓,為此采用了一種空間調(diào)制JTE新結(jié)構(gòu),具有較寬的JTE注入劑量窗口以及能抑制SiO2/SiC界面的電荷效應(yīng),使器件反向擊穿電壓達(dá)到21.7kV,是半導(dǎo)體器件目前達(dá)到的最高擊穿電壓。SiCJBS二極管在結(jié)構(gòu)上結(jié)合了BSD和pin二極管兩者的優(yōu)點(diǎn)。SiCJBS二極管正向壓降吸收了SiCSBD的優(yōu)點(diǎn),比SiCpin二極管的有大幅下降;其反向性能和SiCpin二極管相似,具有高關(guān)斷電壓和低反向電流。1997年報(bào)道了1100V關(guān)斷電壓的SiCJBS二極管,n-區(qū)厚10μm,摻雜濃度為6.0×1015~7.0×1015cm-3,在陽(yáng)極區(qū)存在和肖特基二極管平行連接格柵pn結(jié),其格柵寬度10μm。當(dāng)格柵間隔處于反偏壓時(shí),格柵間的漂移區(qū)被耗盡夾斷。1100V阻斷電壓,漏電流密度為0.15A/cm2,正向比導(dǎo)通電阻為20mΩ·cm2。2000年報(bào)道了3.7kV的高壓4H-SiCJBS二極管,在肖特基金屬下,p型格柵區(qū)是直角方形柵格;這樣的區(qū)域能減少在反向關(guān)斷時(shí)肖特基勢(shì)壘的電場(chǎng)和器件的漏電。n-區(qū)厚50μm,摻雜濃度為1.3×1015~1.8×1015cm-3,硼注入形成條狀的p區(qū)圖形,間隔為10μm。器件采用p+終端技術(shù)以達(dá)到高擊穿電壓。器件的比導(dǎo)通電阻為31.4~40.2mΩ·cm2,其反向恢復(fù)時(shí)間僅9.7ns,是同類(lèi)Si高速二極管的10%。同年也報(bào)道了1500V/4A的4H-SiCJBS二極管,該器件的n區(qū)厚20μm,摻雜濃度為2.0×1015/cm3,對(duì)p+格柵的間隔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),選擇間隔為4μm的設(shè)計(jì)以獲得導(dǎo)通和關(guān)斷特性之間的最佳折中。器件在高導(dǎo)通電流4A(200A/cm2)時(shí)的正向壓降為3.1V,相應(yīng)的比導(dǎo)通電阻為10.5mΩ·cm2。在1500V關(guān)斷電壓時(shí)的漏電流為70μA。1200V工作的器件在反向dI/dt為75A/μs時(shí)的反向恢復(fù)時(shí)間和損耗接近為零。2008年報(bào)道了10kV/10A的4H-SiCJBS二極管,該器件的n-區(qū)厚120μm,摻雜濃度為6.0×1014/cm3,采用了900μm寬的硼注入結(jié)終端技術(shù),Al注入在陽(yáng)極區(qū)形成格柵pn結(jié)勢(shì)壘。8.3mm×10mm的器件在10A正向電流時(shí),正向壓降小于3.5V;從常溫到200℃具有正溫度系數(shù)的電阻性能和穩(wěn)定的肖特基勢(shì)壘高度,10kV關(guān)斷電壓的反向漏電在全溫度范圍小于10μA。從正向電流10A到反向關(guān)斷電壓3kV,以dI/dt為30A/μs進(jìn)行開(kāi)關(guān),其反向恢復(fù)時(shí)間和反向恢復(fù)電荷分別為320ns和425nC;且在25~175℃內(nèi)接近常數(shù)。同年報(bào)道了商用的SiCJBS所用的襯底已由3英寸圓片轉(zhuǎn)向4英寸圓片,最大電流達(dá)50A,正在開(kāi)發(fā)的更大工作電流器件有1.2kV/75A和1.2kV/100A兩種,芯片面積分別為6mm×8mm和6.8mm×10mm。100A器件的正向壓降為1.77V,反向漏電在1.33kV關(guān)斷電壓時(shí)為250μA。同時(shí)研發(fā)了10kV/20A的SiCJBS,20A器件的正向壓降為3.1V,反向漏電在10kV關(guān)斷電壓時(shí)為80μA。4H-SiC二極管和SiIGBT可組成電力電子開(kāi)關(guān)混合模塊,在功耗、工作頻率和可靠性等性能比全Si開(kāi)關(guān)模塊有大幅提高。這種電力電子開(kāi)關(guān)混合模塊已進(jìn)行了55kW三相逆變器的應(yīng)用試驗(yàn),混合模塊中采用600V/600ASiIGBT作三相逆變器的開(kāi)關(guān)管,用六個(gè)600V/75A的SiCBSD代替三個(gè)600V/150A的Sip-n二極管。在感性負(fù)載試驗(yàn)中,混合模塊的損耗比全Si模塊減少33.6%,在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中,混合模塊的平均損耗比全Si模塊減少10.6%~11.2%。試驗(yàn)表明混合模塊逆變器工作在47kW峰值功率時(shí),效率大于90%。2011年報(bào)道了混合模塊在100kW宇航用矩陣轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用試驗(yàn),全Si模塊采用1700V/600AIGBT和Si快恢復(fù)二極管,混合模塊采用1700V/50AIGBT和1200V/50ASiC二極管芯片。矩陣轉(zhuǎn)換器用于80kW負(fù)載的永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,SiC混合模塊比全Si模塊在12.5kHz頻率時(shí)的開(kāi)關(guān)效率提高7.8%達(dá)94.7%,而且能工作到19kHz的更高頻率,相應(yīng)的效率達(dá)93%。同年也報(bào)道了SiC和Si二極管在半橋模塊應(yīng)用中的能耗分析,在全Si和混合模塊所用SiIGBT相同(1200V/100A),二極管分別為Si二極管(1200V/100A)和兩個(gè)SiCSBD(1200V/40A)。兩種模塊在600V和790A/μs開(kāi)關(guān)比較試驗(yàn)結(jié)果表明:SiC二極管最大反向恢復(fù)電流減少了60%,相應(yīng)減少損耗58%;IGBT開(kāi)關(guān)損耗減少了25%,IGBT總損耗減少15%;混合模塊的整個(gè)損耗減少了22%。2010年報(bào)道了3kVSiCJBS混合模塊應(yīng)用于牽引逆變器,3kV/200A的兩種模塊由SiIGBT和Sip-n二極管(工作電流100A/cm2)以及SiCJBS二極管(密度為120A/cm2)分別構(gòu)成。試驗(yàn)結(jié)果表明,SiC混合模塊和全Si模塊相比,導(dǎo)通損耗減少到1/7,反向恢復(fù)損耗減少到1/10。預(yù)計(jì)變換器和逆變器的總損耗下降30%,該逆變器成功用于火車(chē)的牽引電機(jī)。隨著SiC功率開(kāi)關(guān)晶體管的發(fā)展,全SiC的模塊也應(yīng)運(yùn)而生,在高壓和大電流的應(yīng)用領(lǐng)域有新的突破,將在后續(xù)SiC功率開(kāi)關(guān)晶體管發(fā)展內(nèi)容中進(jìn)行介紹。SiC功率MOSFET適合高電壓開(kāi)關(guān)工作,它和Si功率MOSFET相比具有較低的導(dǎo)通電阻、較快的開(kāi)關(guān)速度和高溫工作能力。在1992年誕生的第一個(gè)SiC功率MOSFET,是溝槽柵的UMOSFET結(jié)構(gòu),存在兩個(gè)缺點(diǎn):較低的反型層載流子遷移率導(dǎo)致大的導(dǎo)通電阻和在尖銳的溝槽拐角處的柵氧化層易擊穿。1997年為克服上述缺點(diǎn)而研發(fā)了雙注入工藝的平面結(jié)構(gòu)的6H-SiC功率MOSFET,在n型襯底上外延10μm厚的n-漂移層(6.5×1015/cm3),采用硼掩蔽注入形成p阱,并用氮注入在p阱上形成n型的源接觸區(qū),p阱之間形成柵控溝道。該器件的擊穿電壓達(dá)到760V,比先前報(bào)道的SiCMOFET提高了3倍。2002年報(bào)道了2.4kV/10A的4H-SiCDMOSFET,在電子遷移率更高的4H-SiCn型襯底上外延20μm厚的n-漂移層(摻雜濃度2.5×1015/cm3),并增加了保護(hù)環(huán)終端技術(shù)。MOS溝道長(zhǎng)度為1.5μm,由p阱和n+注入來(lái)確定,室溫時(shí)MOS溝道遷移率達(dá)22cm2/(V·s)。3.3mm×3.3mm的器件導(dǎo)通電流為10A,比導(dǎo)通電阻為42mΩ·cm2,關(guān)斷電壓達(dá)2.4kV。2004年報(bào)道了10kV、比導(dǎo)通電阻為123mΩ·cm2的4H-SiC功率DMOSFET,其比導(dǎo)通電阻(柵偏壓18V)比先前報(bào)道的同類(lèi)器件減少43%,大約比Si的多子器件相應(yīng)的理論值低163倍。改善的原因是采用較薄和摻雜濃度較高的n-漂移層(85μm厚,摻雜濃度8.0×1014/cm3),同時(shí)采用多重浮動(dòng)保護(hù)環(huán)終端技術(shù),其中包含15個(gè)保護(hù)環(huán),終端結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)400μm達(dá)到10kV關(guān)斷電壓。MOS溝道長(zhǎng)度為1.5μm,由p阱和n+源注入之間的距離來(lái)確定。柵偏壓-8V時(shí),10kV漏偏壓時(shí)的漏電流為175μA。有源面積為4.24×10-3cm2的器件在關(guān)斷電壓4.7kV到導(dǎo)通電流為1.3A的開(kāi)關(guān)測(cè)量試驗(yàn)中,開(kāi)關(guān)時(shí)間為100ns。為適應(yīng)功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用,需增大器件的工作電流,2006年報(bào)道了10kV/5A的4H-SiC功率DMOSFET,其有源區(qū)面積比先前報(bào)道的增加了25倍,n-漂移層厚100μm,摻雜濃度為6.0×1014/cm3。采用了基于邊緣終端結(jié)構(gòu)的浮動(dòng)保護(hù)環(huán)技術(shù),其中包含65個(gè)保護(hù)環(huán),邊緣終端結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)550μm。MOS溝道長(zhǎng)度為0.5μm,由p阱和n+源注入之間的距離來(lái)確定,柵氧化層采用1175℃熱氧化后經(jīng)NO退火工藝。有源區(qū)面積為0.15cm2的器件的比導(dǎo)通電阻為111mΩ·cm2的(柵偏電壓15V),柵偏壓0V時(shí),10kV漏偏壓時(shí)的漏電流為3.3μA。器件在關(guān)斷電壓為5.0kV到導(dǎo)通電流為6A的開(kāi)關(guān)測(cè)量試驗(yàn)中,開(kāi)關(guān)時(shí)間為70ns。試驗(yàn)表明和相應(yīng)速度的二極管配對(duì)應(yīng)用時(shí),4H-SiC功率DMOSFET能用于高頻(20kHz)、高壓開(kāi)關(guān)應(yīng)用。2007年報(bào)道了10kV/50A,在25~200℃工作時(shí)具有亞閾值特性穩(wěn)定的4H-SiC功率DMOSFET,其有源區(qū)面積增至0.61cm2,n-漂移層厚100μm,摻雜濃度為5.0×1014/cm3,在p阱層上再外延生長(zhǎng)約100nm厚的薄層,柵氧化層采用N2O氧化工藝。有源面積為0.15cm2的器件在漏偏壓5V和漏極電流5A的比導(dǎo)通電阻為155mΩ·cm2的(柵偏壓為10V),反向擊穿電壓為10kV。有源面積為0.61cm2的器件在漏偏壓為5V時(shí)的漏極電流為20A(柵偏壓為10V),在漏壓15V的電流為50A(柵偏壓為12V)。器件的Ids-Vgs亞閾值特性曲線隨溫度增加呈經(jīng)典的傾斜,這是由于本征載流子的增加填充了界面缺陷所至,而曲線斜率的傾斜導(dǎo)致閾值電壓的下降。但隨溫度增加,不存在固定電荷的電壓漂移;該電壓漂移會(huì)引起關(guān)斷的漏電流增加或?qū)е聹系烙沙ｊP(guān)轉(zhuǎn)為常開(kāi)。影響SiCDMOSFET產(chǎn)品化的主要因素是柵氧化層的可靠性。SiC單晶中的C原子注入到SiC-SiO2的界面上,導(dǎo)致較高的界面缺陷密度;而由于溝道中電子的隧穿效應(yīng)和界面缺陷的相互作用,會(huì)引起器件閾值電壓Vt的不穩(wěn)定。2009年已報(bào)道器件獲得了可靠的柵氧化層工藝,SiCDMOSFET通過(guò)了針對(duì)柵氧化層可靠性的三項(xiàng)試驗(yàn),清除了產(chǎn)品化的障礙。三項(xiàng)可靠性試驗(yàn):其一,高溫下的反向偏壓試驗(yàn)(150℃,960V),器件在1000h試驗(yàn)中工作非常穩(wěn)定,表明不存在由點(diǎn)缺陷引起的漏電失控效應(yīng)。其二,介質(zhì)擊穿壽命試驗(yàn),在150℃和300℃兩種溫度下,進(jìn)行17×9個(gè)試驗(yàn)器件的柵氧化層的場(chǎng)強(qiáng)加速壽命試驗(yàn),得到相應(yīng)的加速壽命曲線。從高場(chǎng)強(qiáng)下的壽命曲線反推到柵氧化層實(shí)際工作的較低電場(chǎng)20V(2.8MV/cm),預(yù)計(jì)其工作壽命大于100年。其三,柵穩(wěn)定性———高溫柵開(kāi)關(guān)試驗(yàn),柵信號(hào)在15~0V之間開(kāi)關(guān),頻率為20kHz,占空比50%。試驗(yàn)結(jié)果表明,Vt僅漂移0.25V,Rds,on增加小于20%,符合JEDEC有關(guān)穩(wěn)定性的規(guī)范。SiCDMOSFET是替代SiIGBT在電力電子應(yīng)用中的最佳器件,目前SiCDMOSFET在1.2kV關(guān)斷電壓,有10,20,67A工作電流的產(chǎn)品,在10kV關(guān)斷電壓,有10A工作電流的產(chǎn)品,可和SiC二極管集成為全SiC的電力電子的開(kāi)關(guān)模塊。2009年報(bào)道了高溫、高功率100A全SiC模塊,采用兩個(gè)1200V/50A性能改進(jìn)的SiCDMOSFET芯片,芯片面積0.56cm2,比導(dǎo)通電阻20mΩ·cm2,Vt穩(wěn)定;與其相配的SiCJBS二極管為1200V/75A。該模塊在入口液冷90℃時(shí),工作電流達(dá)90A并提供17kWDC/DC變換輸出功率,芯片的表面溫度達(dá)184℃。結(jié)果表明,SiCDMSFET可應(yīng)用于SiIGBT因損耗和溫度而受限的系統(tǒng)中。2010年報(bào)道了1200V/400A全SiC模塊,其電路為半橋結(jié)構(gòu),采用16個(gè)芯片面積0.56cm2,1200V/50A的SiCDMOSFET和12個(gè)芯片面積0.48cm2SiCJBS二極管。模塊采用符合商用同類(lèi)SiIGBT的封裝和引線,具有適合高溫的封裝和集成的液冷熱沉,在芯片-襯底,襯底與熱沉間的界面焊料焊接要保證非常低的空洞率。模塊在液冷溫度80℃,電流400A的直流試驗(yàn)時(shí),MOSFET芯片間的溫差為3℃,均流的效果較為接近(對(duì)應(yīng)于50A工作電流的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2A);二極管的鍵合引線較長(zhǎng),芯片較熱,芯片間的溫差為7℃,相對(duì)67A的均流的標(biāo)準(zhǔn)偏差為3A。在液冷溫度80℃、負(fù)載功率25kW和頻率達(dá)30kHz的DC/DC變換器開(kāi)關(guān)試驗(yàn)中,MOSFET芯片的平均溫升14.2℃。在此條件下,SiC模塊的實(shí)驗(yàn)值和同類(lèi)SiIGBT模塊的模擬值相比較,兩模塊的開(kāi)關(guān)晶體管的損耗分別是0.35kW和2kW;二極管的損耗分別是0.19kW和1kW。2011年報(bào)道了1200V/800A全SiC模塊,由20個(gè)芯片面積0.56cm2,80ASiCMOSFET和20個(gè)芯片面積0.314cm2,50ASiCJBS二極管組成的1200V,800A全SiC雙功率模塊。模塊在液冷溫度80℃、電流700A的直流試驗(yàn)時(shí),在10個(gè)并聯(lián)的MOSFET芯片之間的電流不平衡小于9%。模塊工作在液冷溫度為80℃,負(fù)載電流為900A,母線電壓為600V的全橋電路試驗(yàn)中,MOSFET芯片的平均結(jié)溫達(dá)153℃。依據(jù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù),并用于DC/AC逆變器電路模擬研究,以評(píng)估880A全SiC模塊和1400ASiIGBT模塊之間的比較。結(jié)果表明該全SiC模塊逆變器損耗比相應(yīng)的SiIGBT模塊要減少40%,而開(kāi)關(guān)頻率要高4倍。同年報(bào)道了用于1MVA固態(tài)電力變電站的10kV/120ASiCMOSFET半H-橋功率模塊,由兩組12個(gè)芯片面積0.656cm2,10kV/10ASiCDMOSFET和6個(gè)10kV/10ASiCJBS二極管分別構(gòu)成的半H-橋電路中的上、下開(kāi)關(guān)。在20V柵偏壓下,模塊在導(dǎo)通電流100A時(shí)的壓降為5V,在10kV關(guān)斷電壓時(shí)的漏電為亞微安量級(jí),且該低漏電在150℃下、工作超過(guò)6000h后表現(xiàn)很穩(wěn)定。模塊在導(dǎo)通電流100A和關(guān)斷電壓5kV的雙脈沖開(kāi)關(guān)試驗(yàn)中,在開(kāi)關(guān)頻率為20kHz時(shí)的開(kāi)啟和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換時(shí)間均小于200ns。該模塊已用于1MVA固態(tài)功率變電站,可實(shí)現(xiàn)13.8kV到465/槡3V的單相變壓,工作頻率可提高到20kHz,變壓器的重量減少75%,體積減少50%。固態(tài)功率變電所在855kV的效率為97%,模塊的溫升僅幾度。在兆瓦級(jí)固態(tài)功率變電站的應(yīng)用,標(biāo)志了全SiC模塊將在未來(lái)智能柵格電網(wǎng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。IGBT器件由于其簡(jiǎn)單的柵驅(qū)動(dòng)和較大的電流開(kāi)關(guān)能力,在Si電力電子領(lǐng)域獲得較大的成功。而SiCMOS器件已推出高擊穿電壓和低界面態(tài)密度的器件,為SiCIGBT的開(kāi)發(fā)鋪平了道路?；跍系罉O性的不同SiCIGBT有兩種器件:p-IGBT是由p溝道MOS結(jié)構(gòu)和寬基區(qū)npn晶體管構(gòu)成,nIGBT是由n溝道MOS和寬基區(qū)pnp晶體管構(gòu)成。理論上互補(bǔ)的SiCIGBT具有相同的特定導(dǎo)通電阻,可在AC電路中組成互補(bǔ)開(kāi)關(guān)。n-IGBT具有更快的開(kāi)關(guān)速度,由于其背面的p+np晶體管比n+pn(p-IGBT)有更低的電流增益。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)場(chǎng)停止層的摻雜濃度、厚度和載流子的壽命,也可改善p-IGBT的開(kāi)關(guān)性能。p-IGBT電流的主體是通過(guò)寬基區(qū)npn雙極晶體管的集電極,因此比電流主體是通過(guò)MOS溝道的SiCn-IGBT具有更高的跨導(dǎo)和更大的飽和電流。2005年報(bào)道了第一個(gè)10kV溝槽柵的4H-SiCp-IGBT,選擇溝槽柵的結(jié)構(gòu)可達(dá)到高的溝道周長(zhǎng)密度,但溝槽柵的邊墻使調(diào)整MOS閾值電壓變得困難。2006年報(bào)道了第一個(gè)平面型的4H-SiCp-IGBT,其關(guān)斷電壓為6kV,比導(dǎo)通電阻相當(dāng)高,大于400mΩ·cm2。2007年報(bào)道了改進(jìn)的7kV4H-SiCp-IGBT,微分比導(dǎo)通電阻下降為26mΩ·cm2,在n型襯底上外延生長(zhǎng)1μm厚的p型緩沖層(1×1017~2×1017cm-3),以防止襯底在高注入效率時(shí)電場(chǎng)的穿通。p-漂移層厚100μm,摻雜濃度為26×1014~6×1014cm-3,再在p-層上生長(zhǎng)1μm厚的p型電流分散層(5×1015~8×1015cm-3);可抑制JFET效應(yīng)和分散了通過(guò)BJT段的電流以增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制。優(yōu)化了n+阱的摻雜濃度分布和柵氧化工藝,在閾值電壓-7.6V時(shí)的溝道反型層的空穴遷移率達(dá)10cm2/(V·s)。器件的有源區(qū)面積為4mm2,在-16V柵偏壓和100A/cm2時(shí)的微分比導(dǎo)通電阻下降到26mΩ·cm2,對(duì)應(yīng)的比導(dǎo)通電阻為48mΩ·cm2,在零柵偏壓下,關(guān)斷電壓7.5kV時(shí)漏電流密度小于0.2mA/cm2。在從關(guān)斷電壓為-3.96kV到導(dǎo)通電流為-6.24A的電感特性開(kāi)關(guān)試驗(yàn)中,關(guān)斷時(shí)間為1μs,存在小的拖尾現(xiàn)象,反映了器件中存在的電導(dǎo)調(diào)制機(jī)制。2008年報(bào)道了具有較低導(dǎo)通電阻的12kV4H-SiCp-IGBT,在n型襯底上外延生長(zhǎng)1μm厚的p型的場(chǎng)停止層(1×1017cm-3),IGBT關(guān)斷層厚100μm,摻雜濃度為2×1014cm-3,在p-層上生長(zhǎng)1μm厚的p型電流增強(qiáng)層(8×1015cm-3);可減少器件中存在的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)區(qū)的電阻。器件有源區(qū)面積為0.4mm2,器件周邊由一個(gè)基于15區(qū)結(jié)終端延伸的終端技術(shù)所環(huán)繞,有效減少器件周邊的電場(chǎng),關(guān)斷電壓12kV時(shí)漏電流僅10μA。在-16V柵偏壓和工作電流100A/cm2時(shí)的微分比導(dǎo)通電阻下降到18mΩ·cm2,相應(yīng)的正向壓降為5.3V。在從關(guān)斷電壓為1.5kV到導(dǎo)通電流為0.5A的電感特性開(kāi)關(guān)試驗(yàn)中,該器件的開(kāi)啟時(shí)間為40ns,關(guān)斷時(shí)間為2.8μs。2012年報(bào)道了15kV4H-SiCp-IGBT的新進(jìn)展,在n型電子注入層/襯底上外延生長(zhǎng)2μm厚的p型場(chǎng)停止緩沖層,摻雜濃度從1×1017cm-3變到5×1017cm-3,以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的電荷注入控制。IGBT漂移層厚140μm,摻雜濃度為2×1014cm-3。采用多區(qū)結(jié)終端延伸技術(shù),MOS溝道長(zhǎng)度由n型阱的邊緣和p+源區(qū)邊緣之間的間距所限定,約為1μm。器件有源區(qū)面積和芯片面積分別為0.16cm2和6.7mm×6.7mm,在關(guān)斷電壓15kV時(shí)漏電流僅0.6μA。在-20V柵偏壓和工作電流200A/cm2時(shí)的微分比導(dǎo)通電阻為24mΩ·cm2,相應(yīng)的正向壓降為11.2V。2004年報(bào)道了第一個(gè)溝槽柵1.8kVSiCn-IGBT,在柵偏壓-80V時(shí)關(guān)斷電壓1.8kV,其比導(dǎo)通電阻為13mΩ·cm2,比同類(lèi)SiIGBT低兩個(gè)量級(jí)。2005年報(bào)道了平面型4kVSiCn-IGBT,在300μm厚p型4H-SiC襯底上外延n+埋層和20μm厚的n-漂移層(5×1015cm-3),采用自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形成MOS器件。柵零偏壓時(shí)的IGBT集電極和發(fā)射極反向擊穿電壓達(dá)4kV。隨著4H-SiC材料質(zhì)量的提高和SiCMOS工藝、設(shè)計(jì)的成熟,2008年報(bào)道了10kV/4A的4H-SiCn-IGBT,SiC材料的進(jìn)步突破了n-IGBT的p型襯底電阻較大的難題,在與集電極相聯(lián)的SiCp型低阻襯底上外延n型緩沖層;兩層精心設(shè)計(jì)以達(dá)到少子空穴好的注入效果同時(shí)不影響器件的關(guān)斷性能。外延n-漂移層厚100μm,摻雜濃度為3×1014cm-3,器件具有1mm寬的保護(hù)環(huán)的終端結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)高的關(guān)斷電壓。芯片面積5mm×5mm的n-IGBT的微分比導(dǎo)通電阻為14.3mΩ·cm2,導(dǎo)通前的轉(zhuǎn)折電壓為3V,是厚而低摻雜的漂移層中的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的結(jié)果。在300W/cm2功耗水平,n-IGBT能比MOSFET的工作電流密度高40%。n-IGBT在零柵偏壓時(shí)的關(guān)斷電壓在200℃下可達(dá)10kV,其相應(yīng)常溫時(shí)的擊穿電壓達(dá)12kV。在典型的5kV關(guān)斷電壓開(kāi)關(guān)試驗(yàn)中,n-IGBT的關(guān)斷轉(zhuǎn)換時(shí)間為400ns,雖比10kV/10A的SiCMOSFET的140ns慢,但相比高關(guān)斷電壓的SiIGBT要快近一個(gè)量級(jí)。2010年報(bào)道了在獨(dú)立的SiC外延層上的高壓n-IGBT,在新的材料外延工藝中,傳統(tǒng)的厚p+襯底被較薄的p+外延層所代替,器件集電極電阻減少了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在n+SiC襯底的Si面上外延生長(zhǎng)較低的底面缺陷的基層和1μm厚n+緩沖層后,繼續(xù)生長(zhǎng)200μm厚的n漂移層(2×1014cm-3)、0.2μm厚的n+抑制電場(chǎng)穿通緩沖層(1×1018cm-3)和3μm厚的p+集電極層(1×1019cm-3)。然后用磨拋工藝去除襯底、基層、n+緩沖層和20μm厚的n-漂移層,器件在180μm厚的n-漂移層上的C面制備。采用自對(duì)準(zhǔn)工藝形成MOS結(jié)構(gòu),器件的有源區(qū)面積為3.4×10-4cm2,在柵偏壓20V和功耗密度為300W/cm2時(shí),其集電極電流密度為27.3A/cm2,相應(yīng)的微分比導(dǎo)通電阻為177mΩ·cm2。依據(jù)180μm厚的n-漂移層和其摻雜濃度理論,預(yù)估該器件具有20kV的關(guān)斷能力。2012年報(bào)道了12.5kV高性能SiCn-IGBT,在p型空穴注入的外延層上生長(zhǎng)兩種2μm和10μm厚的n型場(chǎng)停止緩沖層,IGBT的n-漂移層厚140μm,摻雜濃度為2×1014cm-3。采用多區(qū)結(jié)終端延伸技術(shù),MOS溝道長(zhǎng)度由p阱邊緣和n+源區(qū)邊緣之間的間距所限定,約為1μm。器件有源區(qū)面積和芯片面積分別為0.16cm2和6.7mm×6.7mm,在關(guān)斷電壓12.5kV時(shí)漏電流為15μA。在-20V柵偏壓和200A/cm2時(shí)的正向壓降為6.1V,相應(yīng)的微分比導(dǎo)通電阻為2.5mΩ·cm2,比同類(lèi)的SiCp-IGBT低4.5倍。具有2μm厚的場(chǎng)停止緩沖層的器件比10μm厚的器件的導(dǎo)通性能更好,表明其過(guò)量載流子濃度更高。在從關(guān)斷電壓為8kV到導(dǎo)通電流為5A的開(kāi)關(guān)試驗(yàn)中,n-IGBT的轉(zhuǎn)換時(shí)間比同類(lèi)p-IGBT快,而具有10μm厚的場(chǎng)停止緩沖層的器件比2μm厚的器件具有更短的電壓上升時(shí)間(0.5μs,常溫時(shí)),表明較厚的場(chǎng)停止緩沖層有效減少了載流子向漂移層的注入。12~15kV的SiCIGBT的技術(shù)突破,有望在格柵互聯(lián)電網(wǎng)中的無(wú)變壓器的智能變電站中發(fā)揮更大作用,破解了6.5kVSiIGBT在該應(yīng)用中串聯(lián)器件多、效率低和頻率低的難題,2012年報(bào)道了15kVSiCIGBT在無(wú)變壓器的智能變電站(TIPS)中應(yīng)用的設(shè)計(jì),15kVSiCIGBT用于TIPS中的三級(jí)逆變器,對(duì)輸入的AC13.5kV進(jìn)行整流,開(kāi)關(guān)頻率5kHz,整流后的母線DC電壓為22.5kV。該高壓由高頻DC/DC變換鏈經(jīng)過(guò)步進(jìn)降壓至800V,采用1200VSiCMOFET組成的變換器模塊在20kHz軟開(kāi)關(guān)。800V直流到480V三相AC的逆變由1200VSiCMOSFET在17kHz開(kāi)關(guān)頻率的逆變器來(lái)完成。計(jì)算模擬表明,當(dāng)TIPS供給800kW功率和600kVAR電抗功率的柵格電網(wǎng)時(shí),其總效率為98.43%。SiCGTO晶閘管和4~6kV的SiGTO晶閘管相比可減少2~3倍串聯(lián)連接部件,同時(shí)系統(tǒng)的體積、重量和復(fù)雜度可下降2~3倍,其開(kāi)關(guān)頻率較高,硬開(kāi)關(guān)頻率為10kHz,軟開(kāi)關(guān)頻率為100kHz,是SiGTO晶閘管的10倍。由于SiC器件特別低的反向漏電,對(duì)高溫時(shí)器件的熱崩和拴鎖有較好的抵抗力。1997年報(bào)道了第一個(gè)700V對(duì)稱結(jié)構(gòu)4H-SiCGTO,其正向關(guān)斷電壓為600~800V,在500A/cm2時(shí)的壓降為4.8V,關(guān)斷時(shí)間1μs。SiCGTO的發(fā)展和SiC材料的進(jìn)步密切相關(guān)。SiC晶片的微管密度,在20世紀(jì)90年代后期,大于10個(gè)/cm2;到2005年,小于1個(gè)/cm2;目前已是零微管缺陷。相應(yīng)的GTO的芯片面積,1999年為2mm×2mm;2003年為3mm×3mm;2006年為4mm×4mm;2008年為7mm×7mm;2009年為10mm×10mm。在發(fā)展初期,GTO的漂移區(qū)厚50μm,摻雜濃度為1×1015cm-3,目前厚度已大于100μm,摻雜濃度為2×1014cm-3,相應(yīng)的GTO的關(guān)斷電壓,2003年為5kV;2007年為6kV;2009年為9kV。GTO的載流子壽命,也從小于0.5μs增至2μs。2002年報(bào)道了3.1kV/100A的4H-SiCGTO模塊,由六個(gè)芯片面積1mm×1mm的GTO并聯(lián)而成。該器件在n+型4H-SiC襯底上外延生長(zhǎng)1μm厚n+緩沖層(8×1017cm-3),2μm厚p型層(7×1017cm-3)以改善進(jìn)入基區(qū)的注入效率。p-漂移區(qū)厚30μm,摻雜濃度為5×1014cm-3,以支撐在正向偏置關(guān)斷時(shí)的高電壓。采用結(jié)終端延伸技術(shù)以保證高的體擊穿條件。器件的關(guān)斷電壓為3.1kV,漏電小于5μA,薄的漂移區(qū)導(dǎo)致低的比導(dǎo)通電阻:3mΩ·cm2。GTO模塊在100A開(kāi)關(guān),其對(duì)應(yīng)的電流密度為1670A/cm2,陰極電流在0.2μs內(nèi)從100A降至接近零。2004年報(bào)道了12.7kVSiC共柵關(guān)斷晶閘管(SICGT),器件的p-型緩沖層可減少來(lái)自發(fā)射極的過(guò)量載流子注入,在柵極下引入n+埋層以減少存儲(chǔ)時(shí)間。SICGT和GTO的不同點(diǎn)是,其具有低的關(guān)斷增益(小于1),低的柵寄生電感和除低存儲(chǔ)時(shí)間以外的無(wú)緩沖關(guān)斷工作。為達(dá)到高的關(guān)斷電壓,器件的p基區(qū)厚75~120μm,摻雜濃度為1×1014~2×1014cm-3,同時(shí)采用長(zhǎng)度為200μm臺(tái)面結(jié)終端延伸技術(shù)。芯片面積為1mm×1mm的SICGT在常溫下關(guān)斷電壓為12.7kV,漏電為2mA/cm2;在250℃高溫下,9kV關(guān)斷電壓時(shí)的漏電僅為1mA/cm2,在100A/cm2工作電流時(shí)的導(dǎo)通電壓為6.6V。在從導(dǎo)通電流1.6A(電流密度為200A/cm2)到關(guān)斷電壓3kV的開(kāi)關(guān)試驗(yàn)中,器件的開(kāi)啟與關(guān)