宽禁带电力电子器件

1.引言

自晶闸管和功率晶体管问世和应用以来，硅基半导体器件在功率处理能力和开关频率方面不断改善，然而硅电力电子器件经过近60年的长足发展，性能已经趋近其理论极限，基于新型宽禁带半导体材料的电力电子器件具有更优越的性能，成为功率器件的研究热点。

宽禁带半导体材料除具有优异的光电特性外，还具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强、介电常数低等优越性能。所以宽禁带电力电子器件(WideBandgapPowerSemiconductorDevices)不仅能在更高的温度下稳定运行，而且在高电压、高频率状态下更为耐用和可靠，此外还能以较少的电能消耗获得空前的运行能力。目前宽禁带半导体器件中碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)电力电子器件已有商业化产品，并在某些领域得到应用。

2.机理

固体中的电子能量具有不连续的量值，电子分布在一些相互之间不连续的能带上。价电子所在能带与自由电子所在能带之间的间隙称为禁带。如果禁带越宽，那就意味着电子跃迁到导带的能量越大，也意味着材料越不容易称为导体。

对于SiC而言，因为C原子本身的电子数比硅小，因此C原子对于外层电子的束缚能力强，他的禁带比硅更宽，Si和C形成的化学键，更难被打破。同理，对于GaN，尽管Ga自身比Si弱，但是N是很强的元素，单个的N原子的氧化性是很强的，因此，GaN的化学键也很强，也是宽禁带材料。

宽禁带材料具有更高的临界雪崩击穿电场强度和载流子饱和漂移速度、较高的热导率和相差不大的载流子迁移率，所以宽禁带电力电子器件有更高的耐压能力、更低的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及耐高温耐辐射的能力。

3.研究现状

3.1SiC电力电子器件的研究进展

SiC功率二极管：肖特基二极管、PiN二极管和结势垒肖特基二极管。肖特基二极管开关速度快、导通压降低，但阻断电压偏低、漏电流较大；PiN二极管阻断电压高、漏电流小，但工作过程中反向恢复严重，JBS二极管结合了肖特基二极管所拥有的出色的开关特性和PiN结二极管所拥有的低漏电流的特点。目前，商业化的SiC二极管主要是肖特基二极管。Infineon、Cree和Rohm等半导体器件公司已可提供电压等级为V、V和V的SiCSBD商业化产品。

SiC单极型器件：SiCMOSFET、碳化硅结型场效应管(SiCJFET)。功率MOSFET具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。SiC功率MOSFET面临的两个主要挑战是栅氧层的长期可靠性问题和沟道电阻问题。年，美国Cree公司率先推出了两款电压定额为V，电流定额约30A的SiCMOSFET单管。为满足高温场合的应用要求，Cree公司还提供SiCMOSFET裸芯片供用户进行高温封装设计。年，Cree公司又推出了新一代商用SiCMOSFET单管，并将电压定额提高到V。SiCJFET是碳化硅结型场效应管，具有导通电阻低、开关速度快、耐高温及热稳定性高等优点，具有常开和常闭两种类型。Semisouth公司生产的SiCJFET分立器件最高电压定额达到V，最大电流定额为30A。年，德国Infineon公司也推出了V电压等级常闭型SiCJFET产品。

SiC双极型器件：SiCBJT、SiCIGBT、SiCGTO。SiCBJT具有更高的电流增益、更快的开关速度及较小的温度依赖性，不存在二次击穿问题，并且具有良好的短路能力，是SiC可控开关器件中很有应用潜力的器件之一。目前，GeneSiC公司已推出了V/A的SiCBJT工程样品。最新报道称已开发出耐压高达21kV的高压SiCBJT。在高压领域，SiCIGBT将具有明显的优势。高压SiCIGBT面临两个挑战：第一个挑战是沟道缺陷导致的可靠性以及低电子迁移率问题；第二个挑战是N型IGBT需要P型衬底，而P型衬底的电阻率比N型衬底的电阻率高50倍。目前高压SiCIGBT器件的实验室水平已达到27.5kV耐压水平。SiC可关断晶闸管(GTO)，在大功率开关应用中，晶闸管以其耐压高、通态压降小及通态功耗低而具有较大优势。对碳化硅晶闸管的研究主要集中在GTO上。国外SiC器件发展较为迅速，多家公司都已推出商业化产品，并建立了强大的研发支撑力量。

3.2GaN电力电子器件的研究进展

GaN功率二极管：GaN肖特基二极管和PN二极管。目前，商业化的GaNSBD的耐压限制在V，V到1.2kV耐压范围内的商用GaNSBD在不久的将来也会问世。实验室研究进展中，蓝宝石基底的GaN整流器的击穿电压已高达9.7kV，但存在正向压降较高的问题。另一方面，GaNJBS二极管也在研究中，其应用于V～3.3kV的电压领域可大大提高GaN功率整流器的性能，但是GaNJBS的接触电阻问题仍需改善。

GaN高电子迁移率晶体管。目前，EPC公司的常断型GaNHEMT器件耐压限制于V，而能生产V耐压的常断型GaNHEMT器件的公司也仅有GaNSystems公司，且种类较少。因此，一种由高压常通型GaNHEMT和低压SiMOSFET串联构成的Cascode结构常断型GaNHEMT器件受到各大GaN器件生产商的重视，这种Cascode结构常断型GaNHEMT的耐压目前通常为V。

GaNMOSFET。随着GaN器件研究的持续升温，采用双极型结概念的双向异质结GaN场效应管已问世。该GaN场效应管中的肖特基和p-n结栅极结构排列在蓝宝石绝缘基底上，器件间的隔离电压大于2kV，正向导通电阻和反向导通电阻分别是24·mm和22·mm。

4.对比Si器件的优缺点

优点：宽禁带电力电子器件不仅能在更高的温度下稳定运行，而且在高电压、高频率状态下更为耐用和可靠，此外还能以较少的电能消耗获得空前的运行能力。它有更高的耐压能力、更低的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及耐高温耐辐射的能力。

缺点：虽然氮化镓理论上可以较好的高频和高压性能，但是缺少垂直设备所需的优质大块基板和较低的热导率，让碳化硅更适合高压设备。宽禁带半导体材料虽然具备众多的特点和优势，但因器件模型不够精确和缺乏便宜的衬底而无法进行大规模的生产。