功率器件是電力電子技術(shù)的核心，在電力電子技術(shù)朝著高頻、高功率密度發(fā)展的方向上扮演著重要的角色。碳化硅（silicon carbide，SiC）器件作為一種寬禁帶半導體器件，具有耐高溫、高壓，導通電阻低等優(yōu)點，受到了廣泛的關(guān)注。
圖??SiC器件，攝于華潤微展臺
一、SiC功率器件的種類
SiC功率器件主要有SiC二極管、SiC JFET、SiC MOSFET、SiC IGBT、SiC GTO等。
1.SiC二極管
目前SiC二極管已經(jīng)大量運用于商業(yè)化的電能轉(zhuǎn)換裝置中。SiC功率二極管有3種類型：PiN二極管、肖特基二極管（schottky barrier diode，SBD）和結(jié)勢壘肖特基二極管（junction ?barrier ?schottky diode，JBS），其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖??3種類型SiC二極管結(jié)構(gòu)示意圖
JBS二極管結(jié)合了肖特基二極管在正向?qū)ㄇ闆r下單極型導電的優(yōu)點及PiN結(jié)二極管反向漏電流較低的優(yōu)點，在4.5kV阻斷電壓以下通常采用此結(jié)構(gòu)。隨著器件耐壓的進一步提高（4.5~10kV以上），漂移區(qū)的電阻增加，限制了單極型器件性能的進一步提高，因此相比于肖特基二極管，PiN結(jié)二極管在高壓場合更具優(yōu)勢，但SiC厚外延生長工藝會引入額外的缺陷面密度會導致PiN二極管的良率較低，控制少數(shù)載流子壽命工藝不成熟?；旌螾N結(jié)肖特基二極管（merged PiN schottky diode）是在JBS二極管的基礎(chǔ)上提出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，通過加大面積P區(qū)以及P型歐姆接觸設(shè)計，可以將浪涌電流能力提高2~4倍，通過優(yōu)化設(shè)計及工藝改進甚至更高。
圖??SiC?肖特基二極管，攝于飛瀚薪展臺
2.SiC?JFET
SiC JFET器件利用柵極PN結(jié)耗盡層實現(xiàn)開關(guān)控制，同時正常狀態(tài)下單極性導電，器件擁有良好的高頻特性。
圖?SiC?JFET器件結(jié)構(gòu)示意圖
相比于MOSFET器件，SiC JFET利用PN結(jié)控制柵極，為避免柵極PN結(jié)開通，柵極偏置一般不超過2.6V。SiC JFET器件無法與現(xiàn)有器件（MOSFETGBT）的驅(qū)動電路兼容，增加了SiC JFET器件的使用難度。USCi公司（已被Qorvo收購）為解決驅(qū)動不兼容的問題提出了源極極聯(lián)JFET技術(shù)，器件結(jié)構(gòu)使用了低壓硅基MOSFET和SiC JFET級聯(lián)的辦法，使得器件的驅(qū)動可以與硅基MOSFETGBT器件兼容。
3.SiC?MOSFET
SiC MOSFET是一種具有絕緣柵結(jié)構(gòu)的單極性器件，關(guān)斷過程不存在拖尾電流，降低了開關(guān)損耗，進而減小散熱器體積，且開關(guān)速度快，開關(guān)頻率高，有利于減小變換器中電感和電容的體積，提高裝置的功率密度，有效降低裝置的系統(tǒng)成本。
圖??MOSFET器件結(jié)構(gòu)示意圖
SiC MOSFET市場上量產(chǎn)的產(chǎn)品主要分平面型（DMOSFET）和溝槽型（TMOSFET）兩類。由于DMOSFET結(jié)構(gòu)的溝道形成于（0001）晶面上，溝道遷移率較低，同時DMOSFET結(jié)構(gòu)還存在JFET區(qū)域，導致器件的導通電阻很難得到進一步降低。TMOSFET通過在溝槽側(cè)壁形成溝道，不僅可以提高溝道遷移率，還能消除JFET區(qū)域，實現(xiàn)降低器件導通電阻的目的。目前業(yè)界研究熱點已逐步轉(zhuǎn)向TMOSFET。目前國內(nèi)外多家企業(yè)實現(xiàn)了SiC MOSFET器件的商業(yè)化。
圖?SiC器件，攝于蓉矽半導體展臺
4.SiC?IGBT
在高壓器件中未達到更高的開關(guān)速度，一般采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。IGBT器件與MOSFET器件相比需要將MOSFET結(jié)構(gòu)中的N型襯底用P型代替，正面有源區(qū)結(jié)構(gòu)和工藝和MOSFET器件相似。
圖??SiC?IGBT結(jié)構(gòu)示意圖
但由于SiC材料工藝不成熟，載流子壽命不夠，SiC IGBT 存在導通電阻高、關(guān)斷損耗大、良率低等缺點，且目前需要用到SiC IGBT的高壓大功率應(yīng)用場景較少，使得SiC IGBT目前尚未商業(yè)化。
5.SiC?GTO
柵極可關(guān)斷晶體管（gate turn-off thyristor，GTO）由于可以從陽極和陰極兩側(cè)同時注入少子，因此可以得到更高的電流密度。由于不存在柵氧結(jié)構(gòu)，GTO器件已實現(xiàn)的通流能力大于IGBT器件，但仍低于直流輸電等場合的容量需求，目前處于研發(fā)階段，商業(yè)化還存在較大差距。
圖??SiC?GTO結(jié)構(gòu)示意圖
二、SiC功率器件的應(yīng)用
SiC材料具有3倍與硅材料的禁帶寬度，10倍于硅材料的臨界擊穿電場強度，3倍于硅材料的導熱率，因此，SiC功率器件適合于高頻、高壓、高溫等應(yīng)用場合，且有助于電力電子系統(tǒng)的效率和功率密度的提升。
圖??SiC功率器件主要應(yīng)用場合
肖特基二極管是SiC器件最早商業(yè)化的產(chǎn)品。在SiC二極管器件中，0.65~1.7kV的JBS器件較為成熟，能提供超過100A電流的單管芯片，滿足光伏逆變、電動汽車以及風力發(fā)電場合的應(yīng)用。SiC的PiN二極管器件不常見，因為在更高電壓（3.3kV甚至更高）才有存在的價值。
在開關(guān)器件中，JFET器件一般使用USCi公司的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特性與MOSFET相似，但驅(qū)動對開關(guān)速度等參數(shù)的控制能力削弱。MOSFET器件逐步推向市場，在光伏逆變、風力發(fā)電、電動汽車上應(yīng)用。直流輸電等超高壓大電流的工作狀態(tài)需要IGBT器件和GTO器件，但距離產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模使用還有較大差距。
來源：碳化硅功率器件技術(shù)綜述與展望，盛況等
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導體網(wǎng)）：SiC功率器件及其應(yīng)用