碳化硅作為一種寬禁帶材料，具有高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、高熱導率等優點，可以實現高壓、大功率、高頻、高溫應用的新型功率半導體器件。該文對碳化硅功率半導體器件的最新發展進行回顧，包括碳化硅功率二極管、MOSFET、IGBT，并對其在電力系統的應用現狀與前景進行展望。

1引言

理想的半導體功率器件，應當具有這樣的靜態和動態特性：在阻斷狀態，能承受高電壓；在導通狀態，具有高的電流密度和低的導通壓降；在開關狀態和轉換時，具有短的開、關時間，能承受高的di/d t和du/d t，具有低的開關損耗，并具有全控功能。半個多世紀以來（自20世紀50年代硅晶閘管的問世），半導體功率器件的研究工作者為實現上述理想的器件做出了不懈的努力，并已取得了世人矚目的成就。各類硅基功率半導體器件（功率二極管、VDMOS、IGBT、IGCT等）被成功制造和應用，促使各種新型大功率裝置成功地應用于各種工業電源、電機驅動、電力牽引、電能質量控制、可再生能源發電、分布式發電、國防和前沿科學技術等領域。

然而由于在電壓、功率耐量等方面的限制，這些硅基大功率器件在現代高性能電力電子裝置中（要求具有變流、變頻和調相能力；快速的響應性能~ms；利用極小的功率控制極大功率；變流器體積小、重量輕等）不得不采用器件串、并聯技術和復雜的電路拓撲來達到實際應用的要求，導致裝置的故障率和成本大大增加，制約了現代電力系統的進一步發展。

近年來，作為新型的寬禁帶半導體材料——碳化硅（SiC），因其出色的物理及電特性，正越來越受到產業界的廣泛關注。碳化硅功率器件的重要優勢在于具有高壓(達數萬伏)、高溫(大于500℃)特性，突破了硅基功率器件電壓(數kV)和溫度(小于150℃)限制所導致的嚴重系統局限性。隨著碳化硅材料技術的進步，各種碳化硅功率器件被研發出來，如碳化硅功率二極管、MOSFET、IGBT等，由于受成本、產量以及可靠性的影響，碳化硅功率器件率先在低壓領域實現了產業化，目前的商業產品電壓等級在600~1700V。近兩年來，隨著技術的進步，高壓碳化硅器件已經問世，如19.5kV的碳化硅二極管，10kV的碳化硅MOSFET[2]和13~15kV[3-4]碳化硅IGBT等，并持續在替代傳統硅基功率器件的道路上取得進步。這些碳化硅功率器件的成功研發帶來了半導體功率器件性能的飛躍提升，引發了新一輪技術革命，必將在眾多應用領域，如電力系統中的高壓領域產生深遠的影響。

碳化硅材料及功率器件進展

2.1碳化硅材料

在體單晶材料方面，SiC單晶襯底已經商品化。目前國際上已有76.2 mm和101.6 mm的SiC拋光襯底材料出售，具有批量生產能力的公司超過十家。高功率SiC器件的芯片面積很大(單胞面積>1cm)，需要大尺寸和低缺陷的襯底材料，尤其需要很低的微管缺陷密度。在這種需要的激勵之下并經過長期的技術積累，困擾SiC單晶生長的微管缺陷控制技術也在2004年獲得突破。如日本Toyata公司采用“重復a面”(repeated a-face：RAF)生長技術，實現了50.8mm SiC單晶的無微管生長，同時也將位錯密度降低到250/cm2以下。2005年美國Intrinsic公司也獲得了零微管(Zero Micropipe，簡稱ZMP)的SiC單晶技術，并于2006年生長出無微管的76.2 mm SiC襯底材料。在并購了Intrinsic公司獲得零微管技術后，Cree公司直徑101.6 mm的4H-SiC導通襯底的微管密度最低達0.1/cm2，甚至零微管，使得用于制作面積為1cm2的功率器件能夠實現90%以上的器件成品率。外延材料方面，SiC外延生長設備的規模也不斷增大，能夠同時生長多片大尺寸的SiC外延。例如瑞典Epigress公司的VP2800HW型熱壁式SiC外延生長系統能夠同時生長10片101.6 mm高質量SiC外延，為了把SiC功率器件抵抗電壓提高到10kV，SiC外延的厚度要達到100μm。在SiC外延研究中，一個重要指標是外延層少子壽命。少子壽命不僅反映了深能級密度和材料缺陷密度等重要外延參數，而且直接決定了高功率SiC器件的通流能力。據理論研究，20kV SiC器件中少子壽命應在10s以上，否則通流能力很弱。

目前日本NEDO公司利用垂直型外延爐實現了高質量的厚達28μm的外延，在50.8 mm上取得了少子壽命分布圖，其平均值為1s。SiC外延技術研究的另一個重要問題是4°偏軸4H-SiC襯底上的高質量外延生長。4°偏軸襯底憑借其成本優勢逐漸成為大尺寸4H-SiC的主流，但與8°偏軸相比小角度偏軸襯底上外延生長的難度較高，臺階聚并(step-bunching)現象嚴重，導致出現表面形貌差、缺陷密度高以及外延材料均勻性不好等問題。美國Cree公司通過改進生長條件和生長步驟獲得了101.6 mm 4°偏軸4H-SiC襯底上理想的外延生長工藝，缺陷密度只有2/cm2。這些外延材料參數可滿足SiC器件研究和批量生產的要求。

2.2碳化硅功率二極管

碳化硅功率二極管有3種類型：肖特基二極管(Schottky barrier diode，SBD)、PIN二極管和結勢壘控制肖特基二極管(junction barrier Schottky，JBS)。在5kV阻斷電壓以下的范圍，碳化硅結勢壘肖特基二極管是較好的選擇。JBS二極管結合了肖特基二極管所擁有的出色的開關特性和PIN結二極管所擁有的低漏電流的特點。把JBS二極管結構參數和制造工藝稍作調整就可以形成混合PIN-肖特基結二極管(merged PIN Schottky，MPS)。由于碳化硅二極管基本工作在單極型狀態下，反向恢復電荷量基本為零，可以大幅度地減少二極管反向恢復引起的自身瞬態損耗以及相關的IGBT開通瞬態損耗，非常適用于開關頻率較高的電路。

PIN結二極管在4~5kV或者以上的電壓時具有優勢，由于其內部的電導調制作用而呈現出較低的導通電阻，使得它比較適用于高電壓應用場合。有文獻報道阻斷電壓為14.9和19.5kV的超高壓PIN二極管，其正向和反向導通特性如圖1所示，在電流密度為100 A/cm2時，其正向壓降分別僅為4.4和6.5V[1]。這種高壓的PIN二極管在電力系統，特別是高壓直流輸電領域具有潛在的應用價值。

2.3碳化硅MOSFET器件

功率MOSFET具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關性能、低導通電阻和高穩定性，在硅基器件中，功率MOSFET獲得巨大成功。同樣，碳化硅MOSFE也是最受矚目的碳化硅功率開關器件，其最明顯的優點是，驅動電路非常簡單及與現有的功率器件(硅功率MOSFET和IGBT)驅動電路的兼容性。碳化硅功率MOSFET面臨的兩個主要挑戰是柵氧層的長期可靠性問題和溝道電阻問題。

隨著碳化硅MOSFET技術的進步，高性能的碳化硅MOSFET也被研發出來，已有研究結果報道了具有較大的電壓電流能力的碳化硅MOSFET器件。三菱公司報道的1.2kV碳化硅MOSFET器件的導通比電阻為5mΩ·cm 2，比硅基的CoolMOS的性能指數好15~20倍。美國Cree公司報道了8.1mm×8.1mm、阻斷電壓10 kV、電流20 A的碳化硅MOSFET芯片，其正向阻斷特性如圖2所示。通過并聯這樣的芯片得到的模塊可以具備100 A的電流傳輸能力[3]。該器件在20 V的柵壓下的通態比電阻為127 mΩ·cm2，同時具有較好的高溫特性，在200℃條件下，零柵壓時可以實現阻斷10 kV電壓。在碳化硅MOSFET的可靠性研究方面，有研究報道了在350℃下碳化硅柵氧層具有良好的可靠性[8]。如圖3所示，20年以來碳化硅MOSFET柵氧層的可靠性得到明顯提高。這些研究結果表明，柵氧層將有望不再是碳化硅MOSFET的一個瓶頸。

2.4碳化硅IGBT

在高壓領域，碳化硅IGBT器件將具有明顯的優勢。由于受到工藝技術的制約，碳化硅IGBT的起步較晚，高壓碳化硅IGBT面臨兩個挑戰：第一個挑戰與碳化硅MOSFET器件相同，溝道缺陷導致的可靠性以及低電子遷移率問題；第二個挑戰是N型IGBT需要P型襯底，而P型襯底的電阻率比N型襯底的電阻率高50倍。因此，1999年制成的第一個IGBT采用了P型襯底。經過多年的研發，逐步克服了P型襯底的電阻問題，2008年報道了13 kV的N溝道碳化硅IGBT器件，比導通電阻達到22mΩ·cm 2[3]。圖4對15kV的N-IGBT和MOSFET的正向導通能力做了一個比較[4]，結果顯示，在結溫為300 K時，在芯片功耗密度為200 W/cm2以下的條件下，MOSFET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。但是在結溫為127℃時，IGBT在功耗密度為50 W/cm2以上的條件下就能夠導通比MOSFET更高的電流密度。同一年，該團隊還報道了阻斷電壓達到12kV的P溝道碳化硅IGBT，導通比電阻達到14mΩ·cm 2[8]。新型高溫高壓碳化硅IGBT器件將對大功率應用，特別是電力系統的應用產生重大的影響。在15kV以上的應用領域，碳化硅IGBT綜合了功耗低和開關速度快的特點，相對于碳化硅的MOSFET以及硅基的IGBT、晶閘管等器件具有顯著的技術優勢，特別適用于高壓電力系統應用領域。

3碳化硅功率器件在電力系統中的應用展望

3.1固態變壓器

隨著分布式發電系統、智能電網技術以及可再生能源的發展，固態變壓器作為其中的關鍵技術受到廣泛關注。固態變壓器是一種以電力電子技術為核心的變電裝置，它通過電力電子變流器和高頻變壓器實現電力系統中的電壓變換和能量傳遞及控制，以取代電力系統中的傳統的工頻變壓器。與傳統變壓器相比，具有體積小、重量輕等優點，同時具有傳統變壓器所不具備的諸多優點，包括供電質量高、功率因數高、自動限流、具備無功補償能力、頻率變換、輸出相數變換以及便于自動監控等優點。固態變壓器的輸入側電壓等級非常高，一般在數千至數萬伏，目前多采用拓撲或器件串聯的方式，結構較為復雜。圖5所示為10kVA的固態變壓器示意圖。新興的碳化硅電力電子器件，特別是15kV以上碳化硅MOSFET、IGBT的出現，將有利于固態變壓器的結構簡化及可靠性提升。

總結!

在當前節能減排的重大國際發展趨勢下，對于碳化硅功率器件而言，其優勢明顯。可以預見，新型高壓大容量碳化硅功率器件將在高壓電力系統中開辟出全新的應用，對電力系統的發展和變革產生持續的重大影響。