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SiC功率器件种类及应用分析

2023年7月14日

编辑:Rokin/中国出海半导体网

 

一、SiC功率器件的种类

SiC功率器件主要有SiC二极管、SiC JFET、SiC MOSFET、SiC IGBT、SiC GTO等。

1.SiC二极管

目前SiC二极管已经大量运用于商业化的电能转换装置中。SiC功率二极管有3种类型:PiN二极管、肖特基二极管(schottky barrier diode,SBD)和结势垒肖特基二极管(junction barrier schottky diode,JBS),其结构如下图所示:

 

3种类型SiC二极管结构示意图

 

JBS二极管结合了肖特基二极管在正向导通情况下单极型导电的优点及PiN结二极管反向漏电流较低的优点,在4.5kV阻断电压以下通常采用此结构。随着器件耐压的进一步提高(4.5~10kV以上),漂移区的电阻增加,限制了单极型器件性能的进一步提高,因此相比于肖特基二极管,PiN结二极管在高压场合更具优势,但SiC厚外延生长工艺会引入额外的缺陷面密度会导致PiN二极管的良率较低,控制少数载流子寿命工艺不成熟。混合PN结肖特基二极管(merged PiN schottky diode)是在JBS二极管的基础上提出的优化结构,通过加大面积P区以及P型欧姆接触设计,可以将浪涌电流能力提高2~4倍,通过优化设计及工艺改进甚至更高。

2.SiC JFET

SiC JFET器件利用栅极PN结耗尽层实现开关控制,同时正常状态下单极性导电,器件拥有良好的高频特性。

 

SiC JFET器件结构示意图

 

相比于MOSFET器件,SiC JFET利用PN结控制栅极,为避免栅极PN结开通,栅极偏置一般不超过2.6V。SiC JFET器件无法与现有器件(MOSFET\GBT)的驱动电路兼容,增加了SiC JFET器件的使用难度。USCi公司(已被Qorvo收购)为解决驱动不兼容的问题提出了源极极联JFET技术,器件结构使用了低压硅基MOSFET和SiC JFET级联的办法,使得器件的驱动可以与硅基MOSFET\GBT器件兼容。

3.SiC MOSFET

SiC MOSFET是一种具有绝缘栅结构的单极性器件,关断过程不存在拖尾电流,降低了开关损耗,进而减小散热器体积,且开关速度快,开关频率高,有利于减小变换器中电感和电容的体积,提高装置的功率密度,有效降低装置的系统成本。

 

MOSFET器件结构示意图

 

SiC MOSFET市场上量产的产品主要分平面型(DMOSFET)和沟槽型(TMOSFET)两类。由于DMOSFET结构的沟道形成于(0001)晶面上,沟道迁移率较低,同时DMOSFET结构还存在JFET区域,导致器件的导通电阻很难得到进一步降低。TMOSFET通过在沟槽侧壁形成沟道,不仅可以提高沟道迁移率,还能消除JFET区域,实现降低器件导通电阻的目的。目前业界研究热点已逐步转向TMOSFET。目前国内外多家企业实现了SiC MOSFET器件的商业化。

4.SiC IGBT

在高压器件中未达到更高的开关速度,一般采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。IGBT器件与MOSFET器件相比需要将MOSFET结构中的N型衬底用P型代替,正面有源区结构和工艺和MOSFET器件相似。

 

SiC IGBT结构示意图

 

但由于SiC材料工艺不成熟,载流子寿命不够,SiC IGBT 存在导通电阻高、关断损耗大、良率低等缺点,且目前需要用到SiC IGBT的高压大功率应用场景较少,使得SiC IGBT目前尚未商业化。

5.SiC GTO

栅极可关断晶体管(gate turn-off thyristor,GTO)由于可以从阳极和阴极两侧同时注入少子,因此可以得到更高的电流密度。由于不存在栅氧结构,GTO器件已实现的通流能力大于IGBT器件,但仍低于直流输电等场合的容量需求,目前处于研发阶段,商业化还存在较大差距。

 

SiC GTO结构示意图

 

二、SiC功率器件的应用

SiC材料具有3倍与硅材料的禁带宽度,10倍于硅材料的临界击穿电场强度,3倍于硅材料的导热率,因此,SiC功率器件适合于高频、高压、高温等应用场合,且有助于电力电子系统的效率和功率密度的提升。

 

SiC功率器件主要应用场合

 

肖特基二极管是SiC器件最早商业化的产品。在SiC二极管器件中,0.65~1.7kV的JBS器件较为成熟,能提供超过100A电流的单管芯片,满足光伏逆变、电动汽车以及风力发电场合的应用。SiC的PiN二极管器件不常见,因为在更高电压(3.3kV甚至更高)才有存在的价值。

在开关器件中,JFET器件一般使用USCi公司的级联结构,其特性与MOSFET相似,但驱动对开关速度等参数的控制能力削弱。MOSFET器件逐步推向市场,在光伏逆变、风力发电、电动汽车上应用。直流输电等超高压大电流的工作状态需要IGBT器件和GTO器件,但距离产业化和大规模使用还有较大差距。