第2期2009年4月
Journa l of CA EIT
V o.l 4No .2A pr .2009
元器件专题
收稿日期:2009-02-04 修订日期:2009-03-19
宽禁带半导体SiC 功率器件发展现状及展望
张 波,邓小川,张有润,李肇基
(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都 610054)
摘 要:碳化硅(Si C )是第三代半导体材料的典型代表,也是目前晶体生长技术和器件制造水平最成熟、应用最广泛的宽禁带半导体材料之一,是高温、高频、抗辐照、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。文章结合美国国防先进研究计划局DARPA 的高功率电子器件应用宽禁带技术H PE 项目的发展,介绍了S i C 功率器件的最新进展及其面临的挑战和发展前景。同时对我国宽禁带半
导体S i C 器件的研究现状及未来的发展方向做了概述与展望。关键词:宽禁带半导体;碳化硅;功率器件
中图分类号:TN 31;TN387 文献标识码:A 文章编号:1673-5692(2009)02-111-08
R ecent Develop ment and Fut ure Pers pective of Silicon Carbi de
Po wer Devices )))Opportunity and Chall enge
Z HANG Bo ,DE NG X iao -chuan ,Z HANG You -run ,LI Zhao -ji
(State key L aboratory of E l ectronic T hi n F il m s and Integrated D ev ices ,U n i versity o f E lectron i c Sc i ence and
T echno l ogy o f China ,Chengdu 610054,Ch i na)
Abst ract :S ilicon carbide(Si C )is a typicalm ater i a l for t h e 3rd generati o n se m iconducto r .It is also one
of t h e m ostw ide l y -used and the best types o fm aterial for the producti o n o fw ide band -gap se m iconduc -to rs ,largely due to advance m ent i n crysta l gro w t h technology ,and the m aterial p s h i g h to lerance i n ter m s of te mperature ,frequency ,radioacti v ity ,and po w er outpu.t The latest develop m ent in S i C po w er dev ice ,the challenges and the f u t u re perspecti v es i n vo l v ed ,and relates the descri p ti o n to the research in the state -o-f the -art DARPA W i d e B and -gap Se m iconductor Technology (W BST )and the H i g h Power E lec -tron ics (H PE )pr ogra m are a ll descri b ed i n t h is paper .Recent advances and the future perspecti v e of S i C dev ices i n Ch i n a are also addressed .K ey w ords :w ide bandgap ;silicon car b i d e ;pow er devices
0 引 言
新型半导体材料和器件的研究与突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展。以碳化硅(Si C )和氮化镓(Ga N)为代表的宽禁带半导体材料,是继以硅和砷化镓为代表的第一代、第二代半导体材料之后迅速发展起来的新型半导体材料。S i C 半导体材料具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点,特别适合制作大功率、
高压、高温、抗辐照电子器件
[1,2]
。由于S i C 功率器
件可显著降低电子设备的能耗,因此S i C 功率器件也被誉为带动/新能源革命0的/绿色能源0器件。
1 美国HPE 计划相关进展
从20世纪90年代起,美国国防部(DOD,depar-t
m ent o f defense)就开始支持Si C 功率器件研究,S i C 功率器件样品相继问世。1992年,美国北卡州立大学功率半导体研究中心在全世界首次研制成功阻断电压
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400V 的6H-Si C SBD (肖特基势垒二极管)[3]
。2001年,Si C SBD 开始商业化,如美国Se m isouth 公司研制的100A 、600V 、300e 工作的S i C SBD 器件已应用于美国空军多电飞机(ME A,m ore e lectric a ircraft)。Si C SBD 构成的功率转换模块可广泛应用于高压、高温、强辐照等恶劣条件下工作的舰艇、飞机、火炮等军事设备的功率电子系统领域,以及混合动力车、燃料电池车、电动汽车等民用领域。
21世纪初,美国国防先进研究计划局(DAR-PA )启动的宽禁带半导体技术计划(W BGSTI ,w i d e bandgap se m iconductor techno logy i n itiati v e),成为加速和改善Si C 、Ga N 等宽禁带材料和器件特性的重要/催化剂0,并极大地推动了宽禁带半导体技术的发展。它同时在全球范围内引发了激烈的竞争,欧洲ESC APEE 和日本NEDO 也迅速开展了宽禁带半导体技术的研究。
著名的DARPA -W BGST I 计划包括两个阶段(Phase I 和Phase II),Phase I 为/射频/微波/毫米波应用宽禁带技术(RF WBGS,RF /m icr o w ave /m illi m eter -w ave technology)0,Phase II 为/高功率电子器件应用
宽禁带技术(HPE ,high power e lectr onics)0[4,5]
。尽管前几年Si C MESFETs 器件发展非常成熟,如C ree 公司10W 和60W 的A /AB 类放大器产品已经实用化,提供S i C MM I C 制程服务,并且已正式装备美国海军的新一代预警机E2D 。但是,最近两年Ga N 材料发展迅速,Ga N HE MT 器件正在冲击S i C MESFETs 的应用领域。两者虽然都是高压低电流功率器件,而Ga N 的工作频率和输出功率密度远高于S i C MESFETs 器件。2007年以来,C ree 等公司推出一系列(10W ~120W )Ga N H E MT 产品,并且也开始提供Ga N MM I C 产品和制程服务。从RF W BGS 计划的第二阶段(2005~2007年),DARP A 开始重点转向Ga N 基高可靠、高性能微波与毫米波器件和MM I C 电路的研究,逐步削减Si C MESFETs 器件项目,将Si C 研究重点放在HPE 计划,即在大功率、高温、强辐照等恶劣条件下工作的S i C 功率器件及电路。Cree 、APT 和Se m -i south 公司也纷纷调整相应的Si C 研究计划,2006年后新扩建厂房均以生产S i C 功率器件为主,雷达及通信用M ESFETs 器件为辅。
美国DARPA 高功率电子器件应用计划)))H PE 的目标有四个(如图1所示),即,大尺寸高质量Si C 导电衬底和轻掺杂的厚外延材料生长技术;10~20kV 的S i C 功率器件(P i N 、MOSFET 和I G BT 等)制造技术;大功率Si C 器件的测试、可靠性和封
装技术;集成S i C 功率器件模块的2.7MVA 固态功率变电站(SSPS ,so lid state po w er substati o n)技术。
图1 DARPA W B ST-H PE 计划
H PE 计划分四个阶段进行,具体时间节点如图1(b)所示。在第一阶段(2003~2004年),商品化的S i C 衬底的直径已由2i n 增加到3in 。2007年5
月份,Cree 公司推出零微管缺陷(Z MPTM,zero -m -i cropipe),直径为100mm (4i n )的N 型4H-S i C 导电衬底。第一阶段的成功实施为计划顺利进行奠定了坚实基础。第二阶段(2005~2006年)是研制S i C 大功率器件、器件封装测试及SSPS 的前期研究。第三阶段(2007~2008年)是实现高可靠、高性能S i C 功率器件的小批量生产,并完成模块的封装测试,同时要完成SSPS 的实验室样品。SSPS 主要应用于美国下一代航空母舰CVN-21的电磁弹射系统(E MLS ,electro m agnetic launch syste m )。CVN-21是第一艘配备电磁弹射系统的航母,四个电磁弹射系统均靠电力驱动,能在300ft 的距离内把飞机速度提高到160kn 。预计采用全S i C 功率器件模块将使传统低频(60H z)变压器转变为高频(20k H z)固态功率变电站,每个变压器的重量将从6t 减少为1.7,t 体积从10m 3
减少为2.7m 3
,固定的单个输出端变成多输出端接口。第四阶段在2009~2010年进行,将研制成功SSPS ,并在舰船系统中演示其应用。
DARPA 的H PE 计划对于我国S i C 功率器件及电路的发展具有非常重要的参考意义。宽禁带半导体S i C 功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为
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