碳化硅电力电子器件研发进展与存在问题.pdf
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2019-09-14
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碳化硅电力电子器件研发进展与存在问题
作者：陈治明
关键词：碳化硅，电力电子，器件
1 引 言
借助于微电子技术的长足发展，以硅器件为基础的电力电子技术因大功率场效应晶
体管（功率 MOS）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等新型电力电子器件的全面应用而臻于成
熟。目前，这些器件的开关性能已随其结构设计和制造工艺的相当完善而接近其由材料特性
决定的理论极限，依靠硅器件继续完善和提高电力电子装置与系统性能的潜力已十分有限。
于是，依靠新材料满足新一代电力电子装置与系统对器件性能的更高要求，早在世纪交替之
前就在电力电子学界与技术界形成共识，对碳化硅电力电子器件的研究与开发也随之形成热
点。
作为一种宽禁带半导体材料，碳化硅不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载
流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用
于硅器件难以胜任的场合，或在一般应用中产生硅器件难以产生的效果。使用宽禁带材料可
以提高器件的工作温度。6H- SiC 和 4H-SiC 的禁带宽度分别高达 3.0 eV 和 3.25 eV，相应的
本征温度可高达 800 °C 以上；即就是禁带最窄的 3C-SiC，其禁带宽度也在 2.3eV 左右。因
此，用碳化硅做成的器件，其最高工作温度有可能超过 600°C。功率开关器件的反向电压
承受力与其漂移区（单极器件）或基区（双极器件）的长度和电阻率有关，而单极功率开关
器件的通态比电阻又直接决定于漂移区的长度和电阻率，因而与其制造材料击穿电场强度的
立方成反比[[i]]。使用击穿电场强度高的材料制作高压功率开关，其电阻率不必选择太高，
器件的漂移区或基区也不必太长。这样，不但其通态比电阻会大大降低，工作频率也会大大
提高。碳化硅的击穿电场强度是硅的 8 倍，其电子饱和漂移速度也是硅的 2 倍，更有利于提
高器件的工作频率，因而碳化硅单极功率开关不单是通态比电阻很低，其工作频率一般也要
比硅器件高 10 倍以上。热导率高则使碳化硅器件可以在高温下长时间稳定工作。此外，碳
化硅还是目前唯一可以用热氧化法生成高品质本体氧化物的化合物半导体。这使其也可以象
硅一样用来制造 MOSFET 和 IGBT 这样的含有 MOS 结构的器件。除了电力电子技术，碳化硅
的主要应用领域还包括高频电子学、高温电子学、以及传感器技术等[[ii]], [[iii]]。因此，包
含微波电源在内的电力电子技术有可能从碳化硅材料的实用化得到的好处，就不仅仅是使用
碳化硅功率开关器件对整机性能的改善，也包括材料的耐高温能力和化学稳定性通过集成信
号采集与处理系统和智能控制系统对整机性能的改善，从而可以在恶劣环境中保持良好工作
状态。], []。因此，包含微波电源在内的电力电子技术有可能从碳化硅材料的实用化得到的
好处，就不仅仅是使用碳化硅功率开关器件对整机性能的改善，也包括材料的耐高温能力和
化学稳定性通过集成信号采集与处理系统和智能控制系统对整机性能的改善，从而可以在恶
劣环境中保持良好工作状态。]。使用击穿电场强度高的材料制作高压功率开关，其电阻率
不必选择太高，器件的漂移区或基区也不必太长。这样，不但其通态比电阻会大大降低，工
作频率也会大大提高。碳化硅的击穿电场强度是硅的 8 倍，其电子饱和漂移速度也是硅的 2
倍，更有利于提高器件的工作频率，因而碳化硅单极功率开关不单是通态比电阻很低，其工
作频率一般也要比硅器件高 10 倍以上。热导率高则使碳化硅器件可以在高温下长时间稳定
工作。此外，碳化硅还是目前唯一可以用热氧化法生成高品质本体氧化物的化合物半导体。
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