1 SiC二極體實現產業化
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/366302.htmSiC電力電子器件中，SiC二極體最先實現產業化。2001年德國Infineon公司率先推出SiC二極體產品，美國Cree和意法半導體等廠商也緊隨其後推出了SiC二極體產品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產了SiC二極體。很多企業在開發肖特基勢壘二極體（SBD）和JBS結構二極體。目前，SiC二極體已經存在600V~1700V電壓等級和50A電流等級的產品。
SiC肖特基二極體能提供近乎理想的動態性能。做為單子器件，它的工作過程中沒有電荷儲存，因此它的反向恢復電流僅由它的耗盡層結電容造成，其反向恢復電荷以及其反向恢復損耗比Si超快恢復二極體要低一到兩個數量級。更重要的是，和它匹配的開關管的開通損耗也可以得到大幅度減少，因此提高電路的開關頻率。另外，它幾乎沒有正向恢復電壓，因而能夠立即導通，不存在雙極型器件的開通延時現象。在常溫下，其正態導通壓降和Si超快恢復器件基本相同，但是由於SiC 肖特基二極體的導通電阻具有正溫度係數，這將有利於將多個SiC肖特基二極體並聯。在二極體單晶片面積和電流受限的情況下，這可以大幅度提高SiC肖特基二極體的容量，使它在較大容量中的應用成為可能。目前實驗室報導的最大容量的SiC二極體已經達到了6500V/1000A的水平。由於SiC開關管的發展相對二極體滯後，當前更普遍的做法是將SiC 二極體和Si IGBT 和MOSFET器件封裝在一個模塊中以形成大功率開關組合。目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司的SiC肖特基二極體用於變頻或逆變裝置中替換矽基快恢復二極體，顯著提高了工作頻率和整機效率。中低壓SiC肖特基二極體目前已經在高端通訊開關電源、光伏併網逆變器領域上產生較大的影響。
SiC肖特基二極體的發展方向是襯底減薄技術和Trench JBS結構。襯底減薄技術能夠有效地減小低壓SiC肖特基二極體的導通電阻，增強器件浪湧電流能力，減小器件熱阻。Infineon公司於2012年9月發布第五代SiC SBD產品，首次採用襯底減薄技術。在SiC晶格裡，JBS結構中離子注入p阱的深度受到限制（《1um），反偏條件下淺p-n結對肖特基結的屏蔽作用不是特別明顯，只有在相鄰p阱之間的間距較小時才能突顯出來，但同時帶來的正嚮導通溝道寬度變窄效應使得正嚮導通壓降顯著增加。為了解決這一問題，新一代SiC肖特基二極體的發展方向是Trench JBS結構。Cree公司新一代SiC肖特基二極體同時採用Trench JBS結構和襯底減薄技術，與傳統的JBS二極體相比，正反向特性都得到了改善，不僅增加了電流密度（晶片面積減小50%）;也提高了阻斷電壓（提高150V）和雪崩能力。
2 SiC JFET器件的產業化發展
碳化矽JFET有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點，是目前發展較快的碳化矽器件之一，並且率先實現了商業化。與MOSFET器件相比，JFET器件不存在柵氧層缺陷造成的可靠性問題和載流子遷移率過低的限制，同時單極性工作特性使其保持了良好的高頻工作能力。另外，JFET器件具有更佳的高溫工作穩定性和可靠性。碳化矽JFET器件的門極的結型結構使得通常JFET的閾值電壓大多為負，即常通型器件，這對於電力電子的應用極為不利，無法與目前通用的驅動電路兼容。美國Semisouth公司和Rutgers大學通過引入溝槽注入式或者臺面溝槽結構（TI VJFET）的器件工藝，開發出常斷工作狀態的增強型器件。但是增強型器件往往是在犧牲一定的正嚮導通電阻特性的情況下形成的，因此常通型（耗盡型）JFET更容易實現更高功率密度和電流能力，而耗盡型JFET器件可以通過級聯的方法實現常斷型工作狀態。級聯的方法是通過串聯一個低壓的Si基MOSFET來實現。級聯後的JFET器件的驅動電路與通用的矽基器件驅動電路自然兼容。級聯的結構非常適用於在高壓高功率場合替代原有的矽IGBT器件，並且直接迴避了驅動電路的兼容問題。
目前，碳化矽JFET器件以及實現一定程度的產業化，主要由Infineon和SiCED公司推出的產品為主。產品電壓等級在1200V、1700V，單管電流等級最高可以達20A，模塊的電流等級可以達到100A以上。2011年，田納西大學報到了50kW的碳化矽模塊，該模塊採用1200V/25A的SiC JFET並聯，反並聯二極體為SiC SBD。2011年，Global Power Electronics研製了使用SiC JFET製作的高溫條件下SiC三相逆變器的研究，該模塊峰值功率為50kW（該模塊在中等負載等級下的效率為98.5%@10kHz、10kW，比起Si模塊效率更高。2013年Rockwell 公司採用600V /5A MOS增強型JFET以及碳化矽二極體並聯製作了電流等級為25A的三相電極驅動模塊，並與現今較為先進的IGBT、pin二極體模塊作比較：在同等功率等級下（25A/600V），面積減少到60%，該模塊旨在減小通態損耗以及開關損耗以及功率迴路當中的過壓過流。
3 SiC MOSFET器件實用化取得突破
碳化矽MOSFE一直是最受矚目的碳化矽開關管，它不僅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，而且其驅動電路非常簡單，並與現有的電力電子器件（矽功率MOSFET和IGBT）驅動電路的兼容性是碳化矽器件中最好的。
SiC MOSFET器件長期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。其中溝道電阻大導致導通時的損耗大，為減少導通損耗而降低導通電阻和提高柵氧層的可靠性的研發一直在進行。降低導通電阻的方法之一是提高反型溝道的載流子遷移率，減小溝道電阻。為了提高碳化矽MOSFET柵氧層的質量，降低表面缺陷濃度，提高載流子數量和遷移率，一種最通用的辦法是實現生長界面的氮注入，也被稱為界面鈍化，即在柵氧層生長過程結束後，在富氮的環境中進行高溫退火，這樣可以實現溝道載流子遷移率的提高，從而減小溝道電阻，減小導通損耗。降低導通電阻的方法之二是採用在柵極正下方開掘溝槽的溝槽型柵極結構。目前已經投產的SiCMOSFET都是「平面型」。平面型在為了降低溝道電阻而對單元進行微細化時，容易導致JFET電阻增大的問題，導通電阻的降低方面存在一定的局限性。而溝槽型在構造上不存在JFET電阻。因此，適於降低溝道電阻、減小導通電阻，但是Si溝槽型MOSFET目前尚未解決溝槽刻蝕之後側壁溝道的表面問題。
美國Cree和日本Rohm公司已經能提供業界領先的碳化矽的MOSFET器件。美國已經將碳化矽MOSFET器件應用於開發2.7MVA的固態功率變電站，該固態功率變電站可能將被應用於美國下一代航空母艦CVN-21的配電系統中。採用全碳化矽功率模塊，可以使傳統的低頻（60Hz）變壓器轉變為高頻（20kHz）固態功率變電站，預計使變壓器的重量由6噸降低到1.7噸，體積從10立方米降低到2.7立方米，大大提高艦船系統的性能。2012年，日本三菱電機通過使用碳化矽製造的MOSFET和肖特基二極體，研發出一個達11kW逆變器，它比基於矽器件製造的逆變器，降低能源損耗達七成，輸出功率為10W/cm3。日本三菱電機報導了使用強制風冷的三相400V輸出全碳化矽逆變器，採用了碳化矽JFET和碳化矽肖特基勢壘二極體，這套裝置的功率密度達到了50kVA/升，遠高於傳統的矽基裝置。2013年3月美國Cree發布第2代SiC MOSFET。與第1代產品相比，通過縮小晶片面積等手段壓縮了成本。以耐壓為1.2kV的品種為例，第2代晶片面積比第1代縮小了約40%。
4 SiC IGBT器件
由於受到工藝技術的制約，碳化矽IGBT的起步較晚，高壓碳化矽IGBT面臨兩個挑戰：第一個挑戰與碳化矽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年製成的第一個IGBT採用了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年報導了13kV的N溝道碳化矽IGBT器件，比導通電阻達到22mΩ×cm2。有報導對15kV的N-IGBT和MOSFET的正嚮導通能力做了一個比較，結果顯示，在結溫為室溫時，在晶片功耗密度為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。在結溫為127？C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，該團隊還報導了阻斷電壓達到12 kV的P溝道碳化矽IGBT，導通比電阻降到了14mΩ×cm2，體現了明顯的電導調製能力。
碳化矽 IGBT器件的優勢應用範圍為10kV以上的高壓領域。在這一領域中，碳化矽MOSFET器件會面臨通態電阻過高的問題，但是在10kV以下的應用中，碳化矽IGBT 相對於碳化矽MOSFET 的優勢並不十分明顯。在15 kV以上的應用領域，碳化矽IGBT綜合了功耗低和開關速度快的特點，相對於碳化矽的MOSFET以及矽基的IGBT、晶閘管等器件具有顯著的技術優勢，特別適用於高壓電力系統應用領域。新型高溫高壓碳化矽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。可以預見的是，高壓碳化矽IGBT器件將和PiN二極體器件一起，成為下一代智能電網技術中電力電子技術最核心的器件。
5 SiC 功率模塊
碳化矽功率模塊是全球電力電子器件大型企業目前重點的發展方向。碳化矽功率模塊已經在一些高端領域實現了初步應用，包括高功率密度電能轉換、高性能電機驅動等等，並具有廣闊的應用前景和市場潛力。在碳化矽功率模塊領域，首先開始研發的是基於碳化矽功率二極體和矽基IGBT的混合功率模塊。第一個實現商用的採用碳化矽二極體和矽基IGBT的高功率模塊是Infineon公司的PrimePACK產品。隨著碳化矽器件的進步，全碳化矽功率模塊不斷被研發出來。美國Cree公司報導了阻斷電壓10kV，電流20A的碳化矽MOSFET晶片，並可以通過並聯模塊得到100A的電流傳輸能力。2009年美國Cree公司與Powerex公司開發出了雙開關1200V、100A的碳化矽功率模塊，該模塊由耐高壓和大電流的碳化矽的MOSFET器件和碳化矽肖特基二極體組成。2011年，美國U.S. Army Research Laboratory研發了用20個80A的SiC MOSFET以及20個50A SiC肖特基二極體製作了一個1200V/800A的雙向功率模塊。該模塊用作全橋逆變並與Si器件比較實驗，結果表明功率損耗至少降低40%，在同樣輸出電流等級情況下SiC的模塊可以工作在Si模塊的4倍頻狀態。該模塊預計用於電動汽車領域。2012年，日本富士電機公司研發基於SiC MOSFET的1200V/100A的碳化矽功率模塊。該模塊採用新型無焊線設計、氮化矽陶瓷作襯底製作，可以在200°C高溫工作作，並且類似倒裝晶片的壓接式設計使得該模塊與起傳統的鋁線鍵合模塊相比具有內電感低的特點，同時損耗更低，與傳統同功率IGBT模塊相比具有更緊湊的結構，大小約為原先的1/2。2012年日本羅姆公司開始推出全碳化矽功率模塊，2013年，美國的CREE公司和日本的三菱公司也推出了1200V/100A的全碳化矽模塊。這些全碳化矽功率模塊組合了碳化矽MOSFET器件和肖特基二極體，利用高速開關及低損耗的特性，可替換原來額定電流為200～400A的矽基IGBT模塊。因器件散熱性提高，使得裝置的體積縮小了一半，並且發熱量小，可縮小冷卻裝置，實現裝置的小型化，同時可以將電力轉換時的損耗削減85%以上，大幅削減工業設備的電力損耗。全碳化矽MOSFET（或JFET）模塊的優良特性使它具備在10kV以下的應用中取代矽基IGBT的巨大潛力，取代的速度和範圍將取決於碳化矽材料和器件技術的成熟速度和成本下降的速度。
6 小結
碳化矽電力電子器件在提高電能利用效率和實現電力電子裝置的小型化方面將發揮越來越大的優勢。碳化矽電力電子器件能提高電能利用的效率，來實現電能損失的減少，因為相對於矽器件，碳化矽器件在降低導通電阻和減小開關損耗等方面具有優勢。比如，由二極體和開關管組成的逆變電路中，僅將二極體材料由矽換成碳化矽，逆變器的電能損失就可以降低15～30%左右，如果開關管材料也換成SiC，則電能損失可降低一半以上。利用碳化矽製作的電力電子器件具備三個能使電力轉換器實現小型化的特性：更高的開關速度、更低的損耗和更高的工作溫度。碳化矽器件能以矽器件數倍的速度進行開關。開關頻率越高，電感和電容等儲能和濾波部件就越容易實現小型化;電能損失降低，發熱量就會相應減少，因此可實現電力轉換器的小型化;而在結溫方面，矽器件在200°C就達到了極限，而碳化矽器件能在更高結溫和環境溫度的情況下工作，這樣就可以縮小或者省去電力轉換器的冷卻機構。
隨著碳化矽電力電子器件的技術進步，目前碳化矽器件相對於矽器件，不僅有性能的巨大優勢，在系統成本上的優勢也逐漸顯現。根據美國Cree公司的評估，與使用矽IGBT和矽二極體相比，使用該公司的第2代SiC MOSFET和SiC二極體能夠降低升壓轉換器的總成本。具體來說，通過提高開關頻率來縮小電感器、降低電感器的成本，可使總成本壓縮到比使用Si功率元件時更低的程度。以10kW級的升壓轉換器為例，按照Cree公司估算的結果，如果使用Si功率元件，在20kHz下開關，需要的成本是181.4美元，而使用SiC功率元件，在60kHz、100kHz下驅動的話，成本將分別降至170美元、163美元。使用SiC功率元件有望降低電力轉換器的總成本。
在電力電子器件應用的眾多領域，比如輸電系統、配電系統、電力機車、混合動力汽車、各種工業電機、光伏逆變器、風電併網逆變器、空調等白色家電、伺服器及個人電腦等，碳化矽器件將逐步地展現出其性能和降低系統成本方面的優勢。作為下一代電力電子器件的主要方向，碳化矽電力電子器件將為電力電子帶來重要的技術革新，並推動電力電子領域在今後二、三十年的發展。