大功率半导体器件的发展与展望

11/2010 收稿日期：2 0 0 9 -1 1 - 1 5 作者简介：钱照明（1 9 3 9 -），男，教授，博士生导师，目前主要研 究领域为电力电子应用技术、电力电子系统电磁兼容和电力电 子系统集成等。 　　　 大功率半导体器件的发展与展望 钱照明， 盛 况 （浙江大学，浙江 杭州 310027） 摘　要：回顾了现代电力电子器件的发展历史，涉及的器件包括晶闸管、GTO、IGCT、MTO、IGBT、各种改 进型的 IGBT以及CoolMOS。叙述了采用新型材料的电力电子器件的发展和前景，应用碳化硅和氮化镓材料的功 率器件正在迅速地发展，一些器件有望在不远的将来实现商品化，进入电力电子技术市场。 关键词：电力电子器件；碳化硅；氮化镓；发展；展望 中图分类号：TN31/387 文献标识码：A 文章编号：1671-8410(2010)01-0001-09 Development and Perspective of High Power Semiconductor Device QIAN Zhao-ming, SHENG Kuang (Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310027, China) Abstract: The developing history of modern power electronic device is reviewed, which includes thyristor, GTO, IGCT, MTO, IGBT, improved IGBT and CoolMOS. The development and perspective of power electronic device with novel materials are proposed. The power device applying SiC and GaN is in a speedy growing, some of which will realize commercialization in the near future and enter into the technology market of power electronics. Key words: power electronic device; SiC; GaN; development; prospective 0 引言 电力电子器件发展至今已有近60年的历史，随着 一代新型电力电子器件的诞生，工业界往往都会掀起 一场革命浪潮。新型功率器件及其相关新型半导体材 料的研究，一直是电力电子行业极为活跃的领域。 一种理想的功率半导体器件，应当具有理想的静 态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状 态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态和 转换时，开、关时间短，能承受高的di/dt和dv/dt，具有 低的开关损耗，并具有全控功能。 自从20世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导 体器件的研究工作者为实现上述理想目标做出了不懈 的努力，并已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变 流器，如牵引变流器几乎都是基于晶闸管的。到了20世 纪80年代中期，4.5 kV的GTO得到广泛应用，并成为接 下来的10年内大功率变流器的首选器件，一直到IGBT 的阻断电压达到3.3 kV之后，这个局面才得到改变。与 此同时， GTO技术的进一步改进导致了IGCT的问世，它 显示出比传统GTO更加显著的优点。目前的GTO开关 频率大概为500 Hz，由于开关性能的提高，IGCT和大功 率IGBT的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作 在1～3 kHz的开关频率下。至2005年，以晶闸管为代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的半控型器件已达到7×107 W/9 000 V的水平，全控器 件也发展到了十分高的水平。当前，功率半导体器件的 水平基本稳定在109~1010 W·Hz，已逼近了由于寄生二 极管制约而能达到的材料极限。 1 现代大功率半导体器件 更高电压、更好开关性能的大功率器件的出现，使 在大功率应用场合不必要采用很复杂的电路拓扑，这 2 1/2010大功率半导体器件的发展与展望 样就有效地降低了装置的故障率和成本。图1概括了当 前市场上最主要的大功率半导体器件及其对应的电压 和电流等级。 1.1超大功率晶闸管 晶闸管是电力电子技术中传统的大功率器件，自 问世以来，它的功率容量已提高了近3 000倍，其最大的 功率等级达12 kV/6 kA[2，3]。并且晶闸管因可以光触发， 故很容易实现串联连接。为阻断13 kV电压，提出了一 种13 kV不对称晶闸管和13 kV二极管相串联的新器件概 念，并通过使用一种基于N+发射极前的深埋场阻层的 场阻（field stop）技术，使13 kV二极管反向恢复性能得 到显著改善[ 4 ]。晶闸管的主要的缺点是，不能自关断， 只能靠电路本身将其电流置零。因此，晶闸管在关断时 需要消耗很大的无功功率。近10多年来，由于自关断器 件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小。但是，由于 其高电压、大电流特性——极低的导通损耗和相当低的 成本，它在高压直流输电（HVDC）、静止无功补偿（SVC）、 大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面 仍然占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸 管仍会在高电压、大电流应用场合得到持续发展。 1982年日本日立公司首先研制成功2.5 kV/1 kA的 GTO。目前许多生产商均可提供额定开关功率36 MVA ( 6 kV/6 kA )用的高压大电流GTO。为了折衷它的导通、 开通和关断特性，传统GTO的典型的关断增益仅为3~5。 GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使GTO关 断期间dv/dt必须限制在500~1 000 V/μs。为此，人们不 得不使用体积大、质量大、价格昂贵的吸收电路。它的 其他缺点是门极驱动电路较复杂，并需要较大的驱动 功率。但是，其高的导通电流密度、高的阻断电压、阻 断状态下高的dv/dt耐量和可以在内部集成一个反并二 极管等突出的优点仍使人们对GTO感兴趣。到目前为 止, 传统的GTO在高压、大功率牵引、工业和电力逆变 器中仍是应用得最为普遍的门控功率半导体器件。目 前，GTO的最高研究水平为6英寸、6 kV/6 kA以及9 kV/ 10 kA。这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式 结构，并通过少子寿命控制技术折衷了导通电压与关 断损耗两者之间的矛盾。由于GTO具有门极全控功能， 它正在许多应用领域逐步取代SCR。为了满足电力系统 对1 GVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有 可能开发出10 kA/12 kV的GTO[5]，并有可能开发30多个 高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系 统中的应用再上一个台阶。 1.2新型全控型器件——集成门极换流晶闸管（IGCT）[6] 当前已有两种常规GTO器件的替代品 ，一种是大 功率的 I G B T模块；另一种是集成门极换流晶闸管 （IGCT）。作为一种新型的大功率器件，IGCT与常规GTO 晶闸管相比，具有许多优良的特性，例如：不用缓冲电 路能实现可靠关断、存贮时间短、开通能力强、关断门 极电荷少和应用系统（包括所有器件和外围部件，如阳 极电抗器和缓冲电容器等）的总功率损耗低等。 IGCT芯片的基本图形和结构与常规GTO类似，但 是它除了采用了阳极短路型的逆导GTO结构以外，主 要是采用了特殊的环状门极，其引出端安排在器件的 周边，特别是其门、阴极之间的阻抗要比常规GTO的小 得多, 所以在门极加以负偏压实现关断时，门、阴极间 可立即形成耗尽层（图2）。此时从阳极注入基区的主电 流可在关断瞬间全部流入门极，关断增益为1，从而使 器件迅速关断。不言而喻，关断IGCT时需要提供与主电 流相等的瞬时关断电流，这就要求包括IGCT门、阴极在 内的门极驱动回路的引线电感十分小。 IGCT的另一个重要特点是有一个引线电感极低的 与管壳集成在一起的门极驱动器，图3是其门极驱动和 器件的外形照片。图中门极驱动器与IGCT管壳之间的 距离只有15 mm左右，包括IGCT及其门极驱动电路在内 的总引线电感量可以减小到GTO电路的1 %左右。其改 进形式之一称为对称门极换向晶闸管(SGCT)，两者的特 性相似，主要应用于电流型PWM中。 图 1 市场上主要功率器件的额定电压与电流[1] Fig. 1 Rated voltage and current of main power device in the market[1] 31/2010 大功率半导体器件的发展与展望 IGCT具有损耗低、开关速度快、内部机械部件极少 等优点，可以以较低的成本，结构紧凑地、可靠且高效 率地用于300 kVA~10 MVA变流器，而不需要串联或并 联。目前研制的IGCT已达到9 kV/6 kA水平， 而6.5 kV或 者6 kA的器件已经开始供应市场了。如采用串联，逆变 器功率可扩展到100 MVA范围，而用于电力设备。因 此， IGCT可望成为大功率高电压低频变流器的优选功率 器件之一。但是，从本质上讲，IGCT仍属于GTO系列的 延伸，它主要是解决了GTO实际应用中存在的门极驱 动的难题。而IGCT门极驱动电路中包含了许多驱动用 的MOSFET和许多储能电容器，所以实际上其门极驱动 功率消耗仍较大，影响系统的总效率。 1.3MOS可关断晶闸管(MTO) 开发MOS可关断晶闸管(MTO)的直接目的是，去 除IGCT驱动电路中所需的大量MOSFET，这些MOSFET 被集成到功率器件的内部。因此MTO外部门极驱动电 路的元件更少，最重要的是不再需要IGCT门极驱动电 路中的反偏电源，这样器件具有更高的可靠性。测量结 果显示，MTO的关断性能得到提高，其关断延迟极短， 这点与IGCT相似。图4是MTO的实物图，可以看到MTO 的外围并不需要特别复杂的驱动电路。 1.4绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 自1985年绝缘栅双极型晶体管（IGBT）进入实际应 用以来，I G B T已经成为功率半导体器件的主流，在 10~100 kHz的中压、中电流应用范围占有十分重要的地 位。IGBT及其模块（包括IPM）已经涵盖了600 V ~ 6.6 kV 的电压和 1~ 3 500 A的电流范围，应用 IGBT模块的 100 MW级的逆变器也已有商品问世。 IGBT是一种电压全控器件，它的开通和关断可以 通过门极驱动实现。IGBT相对比较容易驱动，并且门极 驱动功率低。IGBT的最大优点是，无需缓冲电路就能工 作，并具有限制短路电流的能力。尽管在硬开关下IGBT 具有较高的开关损耗，但与带缓冲电路的GTO变流器 相比，IGBT变流器的功率密度更高和成本更低。 IGBT常常封装成模块形式。一个IGBT模块实际包 含很多的 IGBT芯片，例如，一个比较典型的3 300 V/ 1 200 A的IGBT模块中就具有60块IGBT裸芯片和450多 根连线。这些并联的 IGBT裸芯片固定在同一块陶瓷衬 底上，可保证良好的绝缘和导热，这类模块可以非常方 便地安装在散热器上。 但是，这种封装结构使 IGBT模块只能采用单面冷 却，这增大了在大电流下器件损坏的可能性。由此，进 一步开发了陶瓷封装的双面制冷模块，可以为中压大 功率应用提供圆盘形密封、双面压接的结构，使它们有 同晶闸管和GTO一样的可靠性。 大功率的IGBT模块具有一些优良的特性，例如：能 实现di/dt 和dv/dt的有源控制、有源箝位、易于实现短 路电流保护和有源保护等。但是，其高的导通损耗、低 的硅有效面积利用率、损坏后会造成开路等缺点局限 了大功率IGBT模块在大功率变流器中的实际应用。 在过去20多年间，功率MOSFET 、IGBT和智能功率 模块的迅速发展，使得电力电子装置的功率密度也随 着得到了显著的提高。图5是中等功率电力电子装置功 率密度逐年提高的示意图。 图 4 MTO的实物图 Fig. 4 Actual picture of MTO 4 1/2010大功率半导体器件的发展与展望 在中小功率应用场合，日本三菱公司最近提出的 基于薄晶片LPT技术的反向导通型IGBT（RC-IGBT）和 反向阻断型IGBT（RB-IGBT）也具有良好的应用前景，尤 其是RB-IGBT，由于其反向阻断能力，特别适合矩阵变 流器等需要双向开关的应用场合[5]。 1.5改进优化型IGBT IGBT经过数十年的研发，在20世纪90年代后期出 现了若干种改进优化的器件结构，包括德国英飞凌公 司的沟槽场阻型IGBT（Trench FS-IGBT）[7]、三菱公司的 CSTBT[8]、日本东芝公司的高电导调制IGBT（HiGT）[9]和 注入增强型 IGBT（IEGT）[10]等，这些改进型结构均是着 眼于降低集电极注入效率和提高发射极注入效率 [ 11 ]。 图6和图7是CSTBT、HiGT和IEGT结构的示意图。 沟槽型结构有效地除去了发射极和栅极侧的 JFET 效应，一定程度上提高了电子注入并抑制了空穴的离 开。场阻型是一种在结构和工艺上同时得到优化的穿 通型（PT）结构，它在减薄基区厚度的同时，减少了集 电极空穴的注入。英飞凌公司将沟槽型和场阻型两者 相结合（Trench FS-IGBT），实现了IGBT通态压降和关断 损耗的完美平衡，较大地改善了IGBT的整体特性。 日本的三菱公司在1996年提出了电荷积累双极型 晶体管（CSTBT）。CSTBT是在沟槽型IGBT的基础上，在 发射极P区的下端加了一层N层，该N层掺杂区对空穴 的离开形成了很好的阻挡作用，因此在该区域形成一 层空穴积累层。为了保持该区域的电中性，发射极必须 通过n沟道向n长基区注入大量的电子。发射极侧更多 的电子注入使n长基区中的载流子分布更接近其最优 的状态[12]，从而降低了器件的通态压降。 1 9 9 8年日本东芝公司提出的高电导调制 I G B T （HiGT）与CSTBT结构的概念基本相同，只是它是基于 在平面型IGBT。1998年，他们进一步提出了将IEGT结构 在沟槽型 IGBT的基础上对单元结构中栅沟槽的形状或 数目的优化 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。图7的IEGT结构中，较宽的沟槽或多 个的沟槽对空穴形成了有效的阻挡，因此在该区域形 成一层空穴积累层。基于与CSTBT同样的原理，IEGT在 n长基区中的载流子分布形状较为合理，降低了器件的 通态压降。 以上若干改进型IGBT都在不同程度上优化了IGBT 结构，实现了较低的饱和压降，同时它们都拥有IGBT固 有的优点：宽的安全工作区（可以采用无吸收电路的硬 开关），低的栅极驱动功率和较高的工作频率。这些器 件还有可能采用平板压接式电极引出结构，可望有更 高的可靠性。 目前IEGT的产品已经达到了4.5 kV/2.1 kA的水平， 沟槽场阻型IGBT也已经有了1.2 kV/3.6 kA至6.5 kV/600 A 的产品。 因此，目前在母线直流电压超过3 kV的应用场合， IGCT和MTO可能还是大功率变流器的首选器件；而在 母线电压低于3 kV的应用中，IGBT、IEGT模块将具有优 势，特别是 IGBT在短路时的电流限制能力对于硬开关 变流器具有很大的吸引力。虽然6.6 kV的IGBT模块已经 问世，但是由于其高昂的价格，使得它要完全取代高功 率GTO和IGCT尚需时日。 图8示出功率半导体器件的功率频率乘积和相应半 导体材料极限[13]，由此可见，传统的功率器件已经逼近 了硅材料的极限。为突破硅材料极限，功率器件有两大 图 5 中功率电力电子装置功率密度的提高[5] Fig. 5 Enhancement of power density for medium power electronic device[5] 图 6 CSTBT和HiGT的结构示意图[10,11] Fig. 6 Structure schematic diagram of CSTBT and HiGT[10,11] 图 7 2种 IEGT的结构示意图[12] Fig. 7 Structure schematic diagram for two types of IEGT[12] 51/2010 大功率半导体器件的发展与展望 技术发展方向：一是如前所述的采用全新的器件结构， 二是采用宽能带间隙材料的半导体器件，如碳化硅 （SiC）器件和氮化镓（GaN）器件等。 2 未来功率器件（采用宽能带间隙材料的半 2.1碳化硅（SiC）材料 与硅材料相比，碳化硅（SiC）材料有更高的击穿电 场强度（2~4）×106 V/cm，其最高结温可达600℃。众所 周知，半导体材料的特性对其构成的电子器件的性能 起着至关重要的作用, 利用适当的优良指数可以对SiC 和Si以及其他宽带隙半导体材料的理论特性进行一个 比较。图9是以Si材料为归一基准的各种宽带隙半导体 材料的优良指数对比图：其中Johnson优良指数（JFM） 表示器件大功率、高频率性能的基本限制；KFM表示基 于晶体管开关速度的优良指数； QF1表示功率器件中有 源器件面积和散热材料的优良指数；QF2则表示理想 散热器下的优良指数；QF3表示对散热器及其几何形 态不加任何假设状况下的优良指数；Baliga优良指数 BHFM则表示器件高频应用时的优良指数。由图9可见， SiC材料具有远比硅材料优良的综合特性。高压Si器件 只能用于结温200℃以下的工况，阻断电压限制在几千 伏。由于能带隙较宽，SiC拥有较高的击穿电场和较低 的本征载流子浓度，这都使得器件能在高电压、高温下 工作。另外由于有较高的饱和迁移速度和较低的介电 系数，SiC器件具有好的高频特性。 目前，碳化硅晶体缺陷和碳化硅晶片的高昂成本 是其在大功率器件上应用的一个主要制约因素，要生 产电流和电压范围适用于中压驱动应用场合的碳化硅 材料和器件目前还相当困难。尽管如此，碳化硅仍是将 来代替硅的最有前途的宽带隙半导体材料。 碳化硅器件已经在诸如高电压整流器以及射频功 率放大器等领域有了商业应用。在过去的15年中，碳化 硅器件在材料和器件质量方面均取得了令未来应用市 场瞩目的飞速发展。然而，材料存在的缺陷依然制约着 这些器件商业化的大量生产。 碳化硅材料存在许多缺陷，其中微管缺陷M P D （Micro-Pipe-Defect）和Bazel平面缺陷BPD（Bazel-Plane- Defect）对器件特性的影响特别显著，受到了广泛的关 注。因材料区域中的微管对器件品质的影响是关键的， 所以微管密度是碳化硅材料质量最重要的指标之一。 如图10所示，自1997年以来，碳化硅材料的微管密度得 到了逐步的减小。2004年日本丰田公司在《Nature》杂志 上报道，用“重复a平面”（RAF） 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 生长的高质量碳化 硅晶片，彻底消除了微管并且大大减少了其他缺陷的 密度。其后，美国的 Intrinsic公司也独立研发出了零微 管碳化硅晶片生长方法，并于2006年被美国Cree公司所 收购，促成了Cree公司晶片技术的进一步提高。除微管 外，BPD缺陷对有少子注入效应的双极型器件的工作长 期稳定性有特别明显的影响，在双极型器件，如BJT和 P-i-N二极管等的使用中，由于BPD缺陷的扩展，引起器 件通态压降逐步增加，导致器件性能长期退化[14]。近些 年来Cree公司针对BPD缺陷进行了研发，较大程度上解 决了这个问题。 目前，Cree公司已经可以提供4英寸零微管的碳化 图 8 功率半导体器件的功率频率乘积和相应半导体 材料极限 Fig. 8 Power frequency product of power semiconductor device and material limit of corresponding semi-conductor 导体功率器件）的发展与展望 图 9 以 Si为归一基准的各种宽带隙半导体材料的优 良特性对比 Fig. 9 Excellent performance comparison of various wide band-gap semiconductor materials by taking Si as concentrated normalization 6 1/2010 硅P型、N型和半绝缘型的衬底晶片，并预计在今后1~2 年内提供 6 英寸碳化硅晶片产品。日本钢铁公司 （Nippon Steel）也拥有了4英寸的产品，并且预计在2011 年提供6英寸的碳化硅晶片。欧美的另外几家公司也有 不同尺寸、质量和掺杂的碳化硅晶片商业产品。 如前所述，由于SiC具有高的击穿电场强度，因此 即使在比Si或GaAs更加薄（约为它们的1/10）的漂移层， SiC也能承受同样的电压，因而具有同样耐压水平的SiC 器件的导通电阻比Si器件的更低。 碳化硅电力电子器件的制造过程涉及到一些关键 的器件工艺，主要包括掺杂、蚀刻、氧化层的生成、肖 特基和欧姆接触等，经过多年的研发，这些工艺中的基 础部分大都已基本形成。碳化硅器件工艺的一个很大 优点，是它在很大程度上与硅工艺相通，可以借助后者 成熟的处理技术，这是其他任何宽带隙半导体材料所 无法比拟的。但是，还是有一部分工艺和处理技术没有 得到很好的解决，其中，碳化硅MOS栅极氧化层的工艺 就是一个难点。现阶段工艺制成的MOS沟道界面状态 密度依然较高，导致沟道中的电子迁移率不够理想以 及沟道特性的长期稳定性欠佳，这个问题至今还没有 得到完善的解决，在一定程度上影响了碳化硅功率 MOSFET器件的产业化。 2.2SiC 功率二极管 在5 000 V阻断电压以下的范围，SiC结势垒肖特基 二极管（JBS）是较好的选择，该器件的结构剖面示意图 如图11所示。JBS二极管结合了肖特基二极管所拥有的 出色的开关特性和PN结二极管所拥有的低漏电流的特 点。把JBS二极管结构参数稍作调整就可以形成PN-肖 特基结二极管（MPS）。耐压600 V和1 200 V的二极管器 件已经在 Infineon和Cree等公司产业化，Cree公司已经 可以批量提供1 200 V/50 A的JBS/MPS二极管单芯片和 封装产品。因为这些碳化硅二极管基本工作在单极型 状态下，反向恢复电荷量基本为零，可以大幅度地减少 二极管反向恢复引起的自身瞬态损耗以及相关的IGBT 开通瞬态损耗，非常适用于开关频率较高的电路。目 前，PFC电路 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中一个重要的设计参数就是二极管的 耐冲击电流能力。SiC器件的浪涌电流及 I2t耐冲击能力 明显比相应的硅器件要高，Infineon公司推出的SiC二极 管，可以使冲击电流上升到原来的2倍。此外，这种新型 二极管首次使单极性SiC二极管可以稳定地雪崩运行。 表1中按二极管优良特性指数列出了近年来各类SiC二 极管的性能[15，16]，其中部分参数可见图12。 图 10 不同直径 SiC衬底的平均微管缺陷（MPD）密 度改善进展图 Fig. 10 Density progress chart of average micropipe defect (MPD) of SiC underlays with different diameters 大功率半导体器件的发展与展望 表1 目前SiC二极管的通态电阻及阻断电压 Tab. 1 On-state resistance and blocking voltage of recent SiC diode 器件 SBD JBS SBD JBS MPS SBD MPS MPS P-i-N P-i-N 阻断电压 VB / kV 4.15 5.96 10.8 2.8 4.38 4.9 1.78 1.5 14.9 19.5 特征电阻 Ron,sp /mΩ·cm2 9.1 2 4 9 7 8 20.7 4 3 6.7 1 0 4.4V @ 100 A/cm2 6.5V @ 100 A/cm2 功率面密度（VB2/Ron,sp） /MW·cm -2 1 898 1 480 1 202 980 928 558 474 225 71/2010 PN结二极管在4~5 kV或者以上的电压时具有优势， 由于其内部的电导调制作用而呈现出较低的导通电阻， 这使得它比较适用于高电压应用场合。相关文献曾报道 过阻断电压为14.9 kV和19.5 kV的PN结二极管，在电流密 度为100 A/cm2时，其正向压降分别仅为4.4 V和6.5 V[16]， 这显然都得益于电导调制作用。这种甚高压二极管在 诸如高压直流输电等众多场合中具有潜在的应用价值。 然而，甚高压二极管主要应用于电流在100 A以上 的情况中。这就要求芯片总面积在1 cm2等级以上，需要 用多片面积较大的芯片并联。考虑到目前存在的SiC晶 体衬底的晶体缺陷和价格问题，此类甚高压二极管的 商业化生产还需在解决这些问题以后才有可能。 2.3SiC功率开关器件 在各类SiC功率开关器件中，SiC的MOSFET、JFET、 双极结型晶体管和晶闸管都已经得到了广泛的实验论 证，表2~表4以及图13~图15按优良特性指数列出了近 些年来最佳的一些碳化硅功率开关器件。 大功率半导体器件的发展与展望 表4 近来SiC双极型晶体管的通态电阻及阻断电压 Tab. 4 On-state resistance and blocking voltage of recent SiC bipolar transistor 器件 BJT BJT BJT BJT BJT BJT BJT BJT Darlington BJT GTO GTO 阻断电压 VB /kV 9.3 3.2 1.84 1.6 1.6 1.8 1.75 0.76 1.57 3.2 3.1 12.7 电流 增益β 7 4 4 8.8 4 0 7 0 2 0 24.8 18.8 462 2 0 - - 特征电阻 Ron,sp/mΩ·cm2 4 9 8.1 4.7 4.5 5.1 7.0 1 2 2.9 16.7 7 8 16.6 35.2 功率面密度（VB2/Ron,sp） /MW·cm -2 1 765 1 264 717 569 502 463 255 198 148 131 579 4 582 表2 近来SiC结型场效应晶体管的通态电阻及阻断电压 Tab. 2 On-state resistance and blocking voltage of recent SiC junction field effect transistor 器件 JFET JFET JFET JFET JFET SEJFET JFET JFET JFET 阻断电压 VB /kV 1.71 1 1 1.72 3.5 4.34 5.0 4.45 5.5 1.53 特征电阻 Ron,sp /mΩ·cm 2 2.77 130 3.6 2 5 4 0 6 9 121 218 17.5 功率面密度（VB2/Ron,sp） /MW·cm -2 1 056 930 828 490 471 362 164 139 134 表3 近来SiC MOS场效应晶体管的通态电阻及阻断电压 Tab. 3 On-state resistance and blocking voltage of recent SiC MOS field effect transistor 器件 DMOSFET SEMOSFET SEMOSFET SEMOSFET SEMOSFET SEMOSFET SEMOSFET SEMOSFET SEMOSFET SEMOSFET SEMOSFET ACCUFET 阻断电压 VB /kV 1 0 1 0 1 0 1.2 5.0 7.0 5.05 0.66 0.7 2 2.4 1.4 特征电阻 Ron,sp /mΩ·cm2 111 123 258 5 8 8 189 105 1.8 2.7 2 7 4 2 15.7 功率面密度（VB2/Ron,sp） /MW·cm -2 901 813 388 288 284 259 243 242 181 148 137 125 图 13 SiC FET的阻断电压和通态电阻 Fig. 13 Blocking voltage and on-state resistance of SiC FET 图 14 SiC双极型开关器件的阻断电压和通态电阻 Fig. 14 Blocking voltage and on-state resistance of SiC bipolar switching device 图 15 SiC BJT的发射极电流增益与阻断电压 Fig. 15 Emitter current gain and blocking voltage of SiC BJT 8 1/2010 三菱公司报道，现阶段最好的中低压SiC MOSFET，其 1.2 kV的阻断电压下拥有5 mΩ·cm2的通态电阻，比市 场上硅的CoolMOS结构的优良性能指数好15~20倍。如 果SiC MOS沟道问题能够得到较好的解决，1.2 kV器件 的单位面积通态电阻应该在1 mΩ·cm2左右。 目前有文献报道，已经开发出了10 kV以上的SiC GTO和IGBT。SiC GTO和IGBT比较适用于高压系统，它 们的成功研发，可以在高压电力系统中开辟出一片崭 新的应用天地，对电力系统产生巨大而深远的影响。 值得注意的是，虽然表2~表4中所列器件的特性非 常优秀，但它们大多是小芯片样品的测试结果，目前尚 不具备足够的电流能力供实际电力电子电路所使用。 现在也有一些研发团队和公司拥有约10 A的开关器件 芯片，并且开始封装成较大功率的全碳化硅模块，但仍 处于研究阶段。要实现拥有几十甚至几百安培电流能 力的商业产品，在碳化硅晶片大小、材料质量、材料价 格、器件设计、器件工艺和器件封装等方面还有大量的 研发工作需要做。 2.4氮化镓（GaN）功率器件 氮化镓材料也是一种新型的复合半导体材料，它 的许多关键物理特性（如禁带宽度、击穿场强、电子迁 移率）均与宽带隙半导体材料碳化硅相近。因为缺乏高 质量的氮化镓单晶衬底材料，它大多生长在蓝宝石 （Sapphire）或者碳化硅的衬底上。氮化镓器件的研发也 已经有很多年的历史，它们基本应用在高频微波电路 和系统中。因为他们相对GaAs可以用于较高的母线电 压（27 V），可以简化基站通信系统并带来更高的效率。 近1~2年来，美国许多研发团队提出了在大尺寸（如6英 寸）硅晶片衬底上生长氮化镓的方法，为制造较大面积 的平面型功率器件提供了可能。但是由于氮化镓P型掺 杂技术问题尚未得到很好的解决，氮化镓功率器件主 要是GaN肖特基二极管和AlGaN/GaN 高电子迁移率晶 体管（HEMT）。 在器件结构上氮化镓肖特基二极管与碳化硅肖特 基二极管基本一致，但是因为其薄膜生长在异种衬底 上，二极管的阴极也必须在晶片上面引出，芯片面积利 用率较低，并且给大电流器件的排版设计带来了困难。 现在美国Velox公司正在试图推出600 V/ （4~8）A的快恢 复二极管商业产品，初步测试表明，其通态压降和开关 速度都与类似的碳化硅二极管相当。 氮化镓的HEMT是利用AlGaN和GaN异质结界面上 自然生成的二维电子气（2DEG）导电的一种新型器件， 这种二维电子气是这种异质结的独特效果，其电子面密 度和迁移率都比较高，因此可以生产出通态电阻很小的 大功率半导体器件的发展与展望 由上述图表可见，各种开关器件都做到了10 kV左 右的电压水平。各种器件的优良特性指数都已经接近 碳化硅的理论极限，这一点在高压器件（如10 kV）中尤 为明显，这是因为高压器件中漂移区的电阻占器件总 电阻的绝大部分，器件沟道或其他工艺的不完善导 致的电阻不明显。而在相对较低的电压（如1~2 kV）， 做到接近碳化硅的理论极限就会困难得多。3种非电 导调制器件中特性最佳的小于2 kV的器件分别为： JFET器件的1 056 MW/cm2 (1.71 kV，2.56 mΩ·cm2)、BJT 器件的717 MW/cm2 (1.84 kV，4.7 mΩ·cm2)和MOSFET器 件的288 MW/cm2 (1.2 kV，5 mΩ·cm2)，其特性比硅的理 论极限分别好约500倍、350倍和140倍。 碳化硅结型场效应晶体管（JFET）器件的主要优良 特性是，它是一种不含任何肖特基或MOS接触的单极 性器件，对部分工艺要求不是非常苛刻，因此它拥有现 阶段同等器件中最优良的通态电阻，并且还拥有毫秒 级的短路承受能力，比硅器件好两个数量级以上。值得 注意的是，JFET器件大多为负阈值电压（也即常开器 件），在实际电力电子应用中需要复杂的门极驱动保护 电路或者和一个硅MOSFET以共基形式接成具有常闭 特性的电路。虽然也有一些常关JFET器件（正阈值电 压）的报道，很低的阈值电压（<1 V）和苛刻的工艺控制 使其仍然存在一些应用和制造方面的问题。 双极结型晶体管（BJT）的器件优良特性指数接近 JFET器件的。因为SiC BJT的漂移层远远薄于硅器件，所 以SiC BJT兼有低通态电阻和快速开关的特点，实验证明， 现阶段的SiC BJT在关断过程中没有明显的储存电荷，其 开关速度和MOSFET相当，其共发射极电流增益大多在 10~50之间，也有过在小器件上电流增益>100的报道。SiC BJT的主要难点是，在保证器件阻断电压和通态电阻的 前提下，进一步提高共发射极电流增益，外延生长发射 区是提高电流增益的方法之一。与FET相比，现阶段BJT 的主要缺点是电流增益较低以及驱动电路较复杂。 在硅器件中，功率MOSFET获得巨大成功。碳化硅 MOS场效应晶体管（MOSFET）是最受瞩目的碳化硅功 率开关器件，其最明显的优点是，驱动电路非常简单， 以及与现有的功率器件（硅功率MOSFET和IGBT）驱动 电路的兼容性。但是在现阶段它的优良特性指数明显落 后于JFET和BJT，主要原因在于栅极氧化层工艺不完善， 造成MOS沟道中电子迁移率较低，导致沟道通态电阻较 大。虽然多年的研发使这方面的问题得到部分解决，但 沟道电阻仍然是中低压（<2 kV）SiC MOSFET的一个主要 问题。同时，氧化层工艺的不完善还导致了氧化物的长 期稳定性问题。这些问题还在进一步的研究中。据日本 91/2010 Electric, 1999. [3] T2871N80TOH. Phase Control Thyristor[K]. EUPEC, 2002. [4] Niedernostheide F-J, Schulze H-J, Kellner-Werdehausen U, et al. 13 kV Rectifiers: Studies on Diodes and Asymmetric Thyristors[C]. Proc. of ISPSD, 2003. [5] Majumdar G. The future of power devices[C]. Proc. of IEEE APEC04, 2004. [6] Lorenz L. Power Semiconductors development trends[C]. Proc. of IPEMC, 2006. [7] Laska T, Miinzer M, Pfirsch F, L et al. The FieldStop IGBT (FS IGBT) - A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential[C]. Proceedings of the 12th ISPSD, 2000. [8] Takahashi H, Haruguchi H, Hagino H, et al. Carrier Stored Trench- Gate Bipolar Transistor (CSTBT) - A Novel Power Device for High Voltage Application[C]. ISPSD96:349-352. [9] Mori M, Uchino Y, Sakano J, et al. A novel high-conductivity IGBT (HiGT) with a short circuit capability[C]. in Proc. ISPSD,1998. 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Proceedings of IPSD '01, 2001. 大功率半导体器件的发展与展望 器件。美国加州大学（UCSB）研究团队报道，已研发出 了1.1 kV，4.9 mΩ·cm2的平面型GaN HEMT，其优良特 性指数已经接近垂直型的SiC MOSFET。但是此器件为 常通器件，对电力电子电路使用不利。近期也有团队做 出了阈值电压大于零的GaN HEMT，一定程度上解决了 这个问题。目前关于大电流高压的氮化镓HEMT功率器 件的报道还比较少。 氮化镓器件的最大优点是，在大尺寸硅晶片上生 长的可能性，这对降低器件成本起到关键性的作用。但 同时，氮化镓器件目前最大的问题也来自于在异种衬 底材料上的生长，因为不同材料单晶晶格之间的错位， 异种材料界面上不可避免地会出现高密度的各类缺陷， 这些缺陷在器件应用过程中可能会严重影响器件的特 性、稳定性和长期可靠性。功率器件一般需要较大的芯 片尺寸并工作在较高的结温，对器件的长期稳定及可 靠性的要求尤为严格，至今尚未对氮化镓功率器件作 大量研究工作。因此，氮化镓器件要进入实际电力电子 电路中应用，还需要投入大量研发工作，其独特的材料 特性使其拥有很大的发展空间。 3 结论 本文对现代电力电子器件的发展历史进行了回顾， 涉及的器件包括晶闸管、GTO、IGCT、MTO、IGBT、各种 改进型的IGBT以及CoolMOS。可以看出，虽然硅双极型 及场控型功率器件已趋成熟，但是随着各种新结构和 新工艺的引入，它们的性能仍在不断得到提高和改善。 CoolMOS、各种改进型的IGBT和IGCT均具有相当的生 命力和竞争力，它们未来的发展取决于未来市场的需 求以及各种新型材料和器件的研发进展。 同时，也对采用新型材料的电力电子器件的发展 和前景进行了论述。采用碳化硅和氮化镓材料的功率 器件正在迅速发展，一些器件有望在不远的将来实现 商品化，进入电力电子技术市场。但是这些新型器件还 存在不少材料和工艺方面的问题，还需要大量的研究 工作才能逐步解决。总之，采用碳化硅等新型宽能隙半 导体材料制成的功率器件，接近人们对“理想器件”的 追求，为电力电子技术带来新的活力，将是今后几十年 内电力电子器件发展的主要趋势。 参考文献： [1] Bernet S. 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