百字总结

宽禁带半导体材料被誉为第三代半导体材料,典型的材料代表有碳化硅、氮化镓、金刚石。在电力电子元件以及材料的研制中,碳化硅的研究时间最为长久,紧接其后的便是氮化镓。第三代半导体材料相比较传统工艺材料有明显的三大特性。比硅高得多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,因此,基于宽禁带半导体材料(如碳化硅)的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力,许多方面的性能都是成数量级地提高。
之所以最近该材料广受关注,是因为人们普遍认为硅基材料已经接近材料特性的理论极限。为了人类的进步,以及国家的战略发展,众多攻城狮和科学家将精力放在了此处。目前该新型材料(其实不新了,最早可以追溯到上个世纪)的发展一直受制于材料的提炼、制造以及随后半导体制造工艺的困难。目前金刚石在这些宽禁带半导体材料中性能是最好的,很多人称之为最理想的或最具前景的电力半导体材料。但是金刚石材料提炼和制造以及随后的半导体制造工艺也是最困难的(所以才有人去研究石墨烯)。目前,碳化硅的工艺较为成熟。其优异的特性使其在研制高温、高频、大功率、抗辐射器件以及紫外探测器、短波发光二极管等方面具有广阔的应用前景。

何为宽禁带半导体材料

固体中电子的能量具有不连续的量值,电子都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或带隙。所以禁带的宽度实际上反映了被束缚的价电子要成为自由电子所必须额外获得的能量。硅的禁带宽度为1.12电子伏特(eV),而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在2.3eV及以上的半导体材料,典型的是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等材料。宽禁带半导体材料是被称为第三代半导体材料。

SIC器件概要

以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料具有非常显著的性能优势和巨大的产业带动作用,欧美日等发达国家和地区都将发展碳化硅半导体技术列入国家战略,积极投入巨资支持发展。随着SiC衬底、外延材料、工艺制造技术的改进,器件性能和生产成本不断降低。SiC电力电子器件打破了传统Si器件由于材料特性极限所造成的性能瓶颈,推动着电力电子技术领域的革新与发展。当前,传统电网正向以电力电子技术广泛应用为代表的智能电网方向发展。以未来电力电子变压器的核心应用为代表,对超高压大功率器件提出了更高的性能要求。碳化硅(SiC)器件具有高耐压、大电流、高频率、低损耗等优势,大大推动了设备小型化、轻量化、高效化、低能耗的发展,因此,高压大功率SiC材料及器件的实用化将决定电力电子设备的发展未来。

对于 10 kV 超高压 SiC 电力电子器件,一些工艺难度较低的器件,如 PiN 二极管、肖特基势垒二极管(SBD)等,发展较早,正趋向成熟;对于栅控器件,如 MOSFET、 IGBT,由 SiC 材料所带来的一些问题,如栅氧界面态密度高、沟道迁移率低、器件可靠性差等,随着近年来材料及工艺技术的提高,逐渐获得解决和完善,尽管起步较晚,但是发展迅速。 本文将重点针对近年来国内外智能电网用 10 kV以上 SiC 二极管(PiN、 SBD、 JBS 与 MPS)和晶体管(SiC MOSFET 与 IGBT)的器件结构、技术手段、发展现状来阐述超高压 SiC 电力电子器件的设计思路及其性能特点。

超高压 SiCPiN 二极管

国外对于 SiCPiN 二极管的研究始于 20 世纪 90年代,凭借其简单且成熟的工艺优势, SiCPiN 二极管成为 SiC 电力电子器件的主力之一,尤其在超高压领域的研究已较为成熟。通过不断优化与改进结终端技术, SiCPiN 二极管成为目前超高压领域发展最完善的电力电子器件 。

2001 年日本关西电力研究中心和 CREE 共同报道了耐压达到 12~19 kV 的 MESA-JTE 结构的SiCPiN 二极管, 成为世界上首个超过 10 kV 的 SiC功率整流器。 器件通过结合 MESA 与单区 JTE 两种结终端技术,从而降低边缘电场集中效应,提高了器件击穿电压。

对于不同外延层浓度与厚度的SiCPiN二极管(A:N-漂移区掺杂浓度2×1014cm–3,厚度120μm;B:N-漂移区掺杂浓度8×1013cm–3,厚度200μm),击穿电压分别达到了14.9 kV与19 kV,100 A/cm2时导通压降UF分别为4.4 V与6.5 V,关断延迟仅为商业化400 V耐压的Si基PiN二极管的1/4,动态损耗大大降低,如图1所示。

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做为首个超过10 kV的SiC功率整流器,该研究对未来超高压SiC功率器件的发展具有重要的意义及借鉴作用。但是,MESA结构的缺点在于斜面角度与掺杂浓度需要进行优化,而且实际工艺中往往受到氧化层间电荷的影响。另一方面,器件击穿电压对于单区JTE区的掺杂浓度范围很敏感,因此在实际工艺中,要获得最大击穿电压对应的最优JTE掺杂浓度非常困难。因此,近年来国内外学者不断优化改进JTE终端结构,进一步提高了SiCPiN二极管性能。

2015年,Naoki Kaji等人通过结合间距调变JTE(space-modulated JTE,SM-JTE)与双区JTE(double zone JTE)结构,研制出了一种击穿电压超过26.9 kV的SiCPiN二极管,是目前报道的击穿电压最高的SiC电力电子器件,如图2所示。新结构通过优化SM-JTE的宽度与间距,降低了单区JTE边缘处的电场集中现象,从而克服了传统单区JTE存在的优化掺杂浓度范围窄的缺点。同时,与传统双区JTE结构相比,JTE区同样只需要2次离子注入,没有增加工艺步骤与难度。该结构器件特性如图3所示。一方面,相比传统单区JTE与双区JTE结构,新结构JTE优化掺杂浓度范围显著扩宽;另一方面,当N-区厚度分别为98μm和268μm时二极管的击穿电压超过13 kV和26.9 kV,达到了理论平行平面结击穿电压的70%,同时差分导通电阻分别为1.87 mΩ·cm2及9.7 mΩ·cm2,正向压降分别为3.1 V和4.72 V,在保证优良正向导通特性的条件下,大大提高了器件的击穿电压。

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超高压SiC SBD二极管

肖特基势垒二极管(schottky barrier diode,SBD)是一种金半接触的整流器件,SiC SBD相较于SiCPiN二极管,其主要优势在于导通压降只有1 V左右,仅为PiN二极管的1/3,大大降低了器件的导通损耗。但是,金半接触也导致其反向耐压较低,泄漏电流较大,如今商业化的SiC SBD大多在千伏量级,对于10 kV以上的超高压领域,目前国内外的研究均较少。2003年,赵建华等人报道了首个10 kV SiC SBD二极管。该器件的终端利用刻蚀与外延生长形成多级JTE结构,如图4所示。二极管击穿电压为10.8 kV,电流密度48 A/cm2时正向导通压降为6 V,比导通电阻187 mΩ·cm2。器件的缺点显而易见,反向泄漏电流较大。

超高压SiC JBS与MPS二极管

JBS与MPS二极管结构上类似,均是结合PiN高耐压大电流与SBD低导通压降、高开关速度的优点,其区别在于:JBS二极管选用肖特基势垒较低的金属接触,漂移区较薄,导通时仅SBD部分参与导电,关断时PN结反偏形成耗尽层承受耐压,多用于低压领域;而MPS选用肖特基势垒相对较高的金属接触,漂移区较厚,导通时SBD与PiN均参与导电,多用于高压领域。JBS与MPS的综合性能均高于单一PiN和SBD器件,且工艺难度不大,因此,在超高压应用领域,SiC JBS与MPS二极管扮演着重要角色。

超高压SiC MOSFET与IGBT晶体管

金属氧化物场效应半导体(MOSFET)与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)均是栅控型电力电子器件,其输入阻抗高、温度稳定性好、安全工作区大,是目前中高压领域发展的主流器件,尤其IGBT更是结合了MOSFET与BJT的优点,在高压大电流应用领域远超其他器件,是目前发展最为迅速的功率器件。同样,在10 kV领域,SiC MOSFET与SiC IGBT相比传统器件具有巨大优势。一方面,SiC MOSFET与SiC IGBT大大降低了功率损耗,减少了系统元器件数目,简化了电路拓扑结构,提高了效率。另一方面,超高压SiC MOSFET与SiC IGBT为一些
受到Si材料极限限制的应用领域,如固态电力电子变压器,提供了扩展发展空间的途径。由CREE公司设计研制的10~15 kV SiCMOSFET和15 kV SiC IGBT代表了目前超高压功率器件发展的最高技术水平,并引起了国际上对于超高压SiC MOSFET和SiC IGBT晶体管的广泛研究。2015年Jeffrey B等人报道了新一代的10 kVSiC MOSFET,如图8所示,对于8.1 mm×8.1 mm的器件,通过优化改进,其室温下导通电阻从第一代的160 mΩ降低至100 mΩ。

SiC器件在电力电子变压器中的应用

电力电子变压器与传统变压器相比具有重量轻、体积小、单位功率因数高等优点。随着分布式发电系统、智能电网技术以及可再生能源的发展,面向智能电网的电力电子变压器逐渐发展为具有电气隔离、可再生能源并网接入等多种功能的智能化电力电子设备。然而,早期电力电子变压器的理论和实验研究受到当时大功率器件和高压大功率变换技术发展水平以及Si基器件材料性能极限带来的开关频率的限制,未能实用化。随着10 kV以上SiC电力电子器件的出现,电力电子变压器的研究取得了新的突破。

2009年W Sung等人报道了15 kV SiCIGBT,打破了传统Si基功率开关器件的频率限制,使固态变压器取代传统配电变压成为可能。如图14所示的FREEDM系统中,15 kV SiC IGBT将被用于固态变压器技术中,取代系统中变压器和配电控制,实现可再生能源的发展,提高电能质量。

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2014年J. W. Palmour等人报道了15 kVSiC MOSFET,与商业化6.5 kV的Si IGBT比较,如表2所示,击穿电压高2倍多,且开关损耗仅为其1/30。

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15 kV的SiC MOSFET和JBS被应用在第二代电力电子变压器中,与第一代采用6.5 kV的硅基IGBT电力电子变压器(如图15所示)相比较,不再使用复杂的器件或拓扑串联结构,开关频率由原来的1 kHz提升至20 kHz,开关损耗大大降低,并且可靠性大大提高。

超高压SiC器件在直流及交流断路器中的应用

直流断路器凭借其高速的开关特性和方便的控制能力,以及瞬时、高频、低损耗和高安全性的特性得到了广泛的关注。15 kV SiC ETO器件被应用于直流断路器,如图所示,实现了9 kV/50 A下的可靠性工作。在大容量柔性直流输电技术发展的推动下,超高压大容SiC器件在未来直流断路器的应用中必定具有光明的应用前景。

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交流固态断路器的主要特点就是快速性和可靠性,对电网故障的快速检测系统起着十分重要的作用。目前已有研究者提出基于15 kV SiC ETO及15 kV PiN二极管的混合交流断路器,如图所示,实现了中压领域超过100 A的故障电流条件下,4 ms内快速断路。相比传统机械断路器40~100 ms,速度提升了一个数量级,大大提高了交流固态断路器的快速性和可靠性。

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