新一代電力電子sic和gan

0sic器件的熱性能目前，主要的seigtb固體設備正在開發(fā)中，關斷電壓為1.2.65kv。經(jīng)過三十年的發(fā)展,SiIGBT已達到性能和器件結構的極限,而隨著電動汽車、光伏和風能綠色能源、智能電網(wǎng)等新的應用發(fā)展,要求電力電子器件性能上的新的飛躍。20世紀90年代中期,低微管缺陷密度的SiC寬禁帶半導體材料的突破,使發(fā)展新一代電力電子器件成為可能。寬禁帶的材料結構導致半導體器件低漏電、高工作溫度和抗輻照等性能的改善。寬禁帶半導體SiC具有比Si高一個量級的臨界擊穿電場,意味著SiC電力電子器件的關斷漂移層能更薄和具有更高的摻雜濃度,導致和Si同等器件相比具有低一個量級的導通電阻;更高的載流子飽和速度導致更高的工作頻率;更高的熱導率將改善熱耗散,使器件可工作在更高的功率密度。在6.5kV以下,SiC電力電子器件具有比Si同類器件更低的損耗和更高的工作頻率;在6.5kV以上高壓應用領域,關斷電壓已突破10kV,正在開發(fā)15kV,未來有望突破30kV,人們期待的兆瓦級電力電子學已成為可能。21世紀初,4H-SiC肖特基二極管已商用化,比Si的同類器件的導通電阻要低兩個量級,在關斷電壓600~1500V的范圍可替代Sipin二極管。目前SiC功率開關晶體管總體處于開發(fā)之中,SiCDMOSFET最成熟,SiCGTO晶閘管次之,SiCIGBT不久將成熟;而針對特色應用,SiCBJT和SiCJFET也處于開發(fā)和走向商用化的階段。簡言之,SiC新一代電力電子器件正處于快速發(fā)展期,目前是我國發(fā)展該新型電力電子的極好機遇。1sicbsd的熱壁cvd1992年第一只高壓SiC肖特基二極管(SBD)誕生,其關斷電壓400V,外延層厚10μm,摻雜濃度為3.6×1016cm-3。此后SiC襯底由6H-SiC向具有更高電子遷移率的4H-SiC的轉變,采用肖特基勢壘周邊注入形成高阻保護環(huán)終端技術,使SiCSBD的關斷電壓達到1000V;采用了具有更高勢壘的Ni和Pt金屬,改善了SiC肖特基二極管的電流密度。熱壁CVD生長技術的發(fā)展顯著改善了SiC外延層的質(zhì)量,有助于控制高壓SiC肖特基二極管的反向漏電,2000年報道了在熱壁CVD生長的43μm厚的SiC外延層上,研制出直徑300μm,關斷電壓3.85kV的SBD,在100A/cm2的電流密度下的導通壓降為3.9V。利用硼離子注入的可控激活所形成的結終端延伸技術(JTE),在SiCSBD的導通和關斷性能之間實現(xiàn)了較好的折中,器件性能和可靠性有了進一步改善,使其走向商品化。2000年報道了關斷電壓600V,芯片面積為2.25mm2的SiCSBD的比導通電阻(Ron,sp)為2.1Ω·cm2,額定電流6A,其呈現(xiàn)了具有雪崩條件下的工作能力,工作1000h后器件的正反向特性穩(wěn)定。2002年報道了SiCSBD的新進展,采用外延層厚13μm,摻雜濃度為3.3×1015/cm3,硼注入終端和Ni肖特基勢壘的SiCSBD,其關斷電壓達到1720V。采用外延層厚50μm,摻雜濃度為7.0×1014/cm3,硼注入終端和Ni肖特基勢壘的SiCSBD,其關斷電壓為5kV。芯片面積為8mm×8mm,外延層厚15μm,摻雜濃度為5.0×1015/cm3,硼注入終端、Pt肖特基勢壘和2μm厚Au的SiCSBD,其最大電流達130A,導通電壓降為3.25V,關斷電壓為300V。SiCSBD適合于關斷電壓在600~1500V范圍內(nèi)。關斷電壓大于3kV時,SiCpin二極管具有優(yōu)于Sipin二極管的特點:高電流密度下導通壓降低、開關速度快和高溫穩(wěn)定性好。熱壁CVD方法解決了高純、低缺陷密度和具有較高少子壽命SiC外延層的生長關鍵技術,優(yōu)化JTE技術中硼的注入劑量;采用理論預計值的75%,使器件擊穿電壓穩(wěn)定提高,1997年報道了關斷電壓為3kV的SiCpin二極管。1998年報道了關斷電壓為5.5kV的SiCpin二極管,外延生長了厚85μm,摻雜濃度為1.0×1014~7.0×1014/cm3的n區(qū)和陽極p+區(qū);在正向?qū)〞rp+區(qū)可向n區(qū)注入空穴以利導通。1999年報道了經(jīng)改善JTE和接觸電阻,關斷電壓為5.5kV的SiCpin二極管,在電流密度1000A/cm2時的導通上升時間為1.5μs,反向恢復時間大于1.5μs。在大電流密度2kA/cm2時的微分比導通電阻為1~2mΩ·cm2;表明器件的漂移區(qū)有很好的電導調(diào)制效應。2000年報道了8.6kV的SiCpin二極管,器件的基本結構和5.5kV的相同,n區(qū)厚100μm,摻雜濃度為1.0×1014~3.0×1014/cm3,p+區(qū)厚2.5μm,摻雜濃度為3.0×1018/cm3,采用臺面JTE技術。在625mΩ·cm2的高阻漂移區(qū)條件下,其微分比電阻僅為18~25mΩ·cm2。從25℃升至300℃,器件在5kV的反向漏電僅增加一個量級(2×10-2A/cm2)。2006年報道了180A/4.5kV的大電流SiCpin二極管,在高質(zhì)量3英寸(1英寸=2.54cm)4H-SiC襯底上(微管缺陷密度為0.2個/cm2,在圓片70%的中心區(qū)為0.03個/cm2),腐蝕形成400nm深的六角形圖形表面,使外延后的螺旋形底面位錯密度下降了一個量級(20個/cm2)。外延n-區(qū)厚50μm,摻雜濃度為2.0×1014/cm3,p+區(qū)厚2.5μm,摻雜濃度為8.0×1018/cm3,采用臺面Al注入多區(qū)JTE技術。對芯片面積為1.5cm×1.5cm的器件進行反向恢復特性的測量,從正向?qū)娏?80A以300A/μs的轉換速率到反向偏壓-100V,其反向恢復時間為320ns。器件在常溫180A時的正向壓降為3.17V,并進行了正向壓降穩(wěn)定性試驗,給器件持續(xù)施加90A正向電流應力120h后,正向壓降無變化。2012年報道了12~20V超高電壓的SiCpin二極管,在n+4H-SiC襯底上外延n-區(qū)厚186μm,摻雜濃度為2.3×1014/cm3,2.2μm厚的陽極p+區(qū)和接觸層的摻雜濃度分別為5.0×1018/cm3和1.0×1019/cm3。在SiO2/SiC界面附近的電荷嚴重影響采用單區(qū)JTE器件的擊穿電壓,為此采用了一種空間調(diào)制JTE新結構,具有較寬的JTE注入劑量窗口以及能抑制SiO2/SiC界面的電荷效應,使器件反向擊穿電壓達到21.7kV,是半導體器件目前達到的最高擊穿電壓。SiCJBS二極管在結構上結合了BSD和pin二極管兩者的優(yōu)點。SiCJBS二極管正向壓降吸收了SiCSBD的優(yōu)點,比SiCpin二極管的有大幅下降;其反向性能和SiCpin二極管相似,具有高關斷電壓和低反向電流。1997年報道了1100V關斷電壓的SiCJBS二極管,n-區(qū)厚10μm,摻雜濃度為6.0×1015~7.0×1015cm-3,在陽極區(qū)存在和肖特基二極管平行連接格柵pn結,其格柵寬度10μm。當格柵間隔處于反偏壓時,格柵間的漂移區(qū)被耗盡夾斷。1100V阻斷電壓,漏電流密度為0.15A/cm2,正向比導通電阻為20mΩ·cm2。2000年報道了3.7kV的高壓4H-SiCJBS二極管,在肖特基金屬下,p型格柵區(qū)是直角方形柵格;這樣的區(qū)域能減少在反向關斷時肖特基勢壘的電場和器件的漏電。n-區(qū)厚50μm,摻雜濃度為1.3×1015~1.8×1015cm-3,硼注入形成條狀的p區(qū)圖形,間隔為10μm。器件采用p+終端技術以達到高擊穿電壓。器件的比導通電阻為31.4~40.2mΩ·cm2,其反向恢復時間僅9.7ns,是同類Si高速二極管的10%。同年也報道了1500V/4A的4H-SiCJBS二極管,該器件的n區(qū)厚20μm,摻雜濃度為2.0×1015/cm3,對p+格柵的間隔進行優(yōu)化設計,選擇間隔為4μm的設計以獲得導通和關斷特性之間的最佳折中。器件在高導通電流4A(200A/cm2)時的正向壓降為3.1V,相應的比導通電阻為10.5mΩ·cm2。在1500V關斷電壓時的漏電流為70μA。1200V工作的器件在反向dI/dt為75A/μs時的反向恢復時間和損耗接近為零。2008年報道了10kV/10A的4H-SiCJBS二極管,該器件的n-區(qū)厚120μm,摻雜濃度為6.0×1014/cm3,采用了900μm寬的硼注入結終端技術,Al注入在陽極區(qū)形成格柵pn結勢壘。8.3mm×10mm的器件在10A正向電流時,正向壓降小于3.5V;從常溫到200℃具有正溫度系數(shù)的電阻性能和穩(wěn)定的肖特基勢壘高度,10kV關斷電壓的反向漏電在全溫度范圍小于10μA。從正向電流10A到反向關斷電壓3kV,以dI/dt為30A/μs進行開關,其反向恢復時間和反向恢復電荷分別為320ns和425nC;且在25~175℃內(nèi)接近常數(shù)。同年報道了商用的SiCJBS所用的襯底已由3英寸圓片轉向4英寸圓片,最大電流達50A,正在開發(fā)的更大工作電流器件有1.2kV/75A和1.2kV/100A兩種,芯片面積分別為6mm×8mm和6.8mm×10mm。100A器件的正向壓降為1.77V,反向漏電在1.33kV關斷電壓時為250μA。同時研發(fā)了10kV/20A的SiCJBS,20A器件的正向壓降為3.1V,反向漏電在10kV關斷電壓時為80μA。4H-SiC二極管和SiIGBT可組成電力電子開關混合模塊,在功耗、工作頻率和可靠性等性能比全Si開關模塊有大幅提高。這種電力電子開關混合模塊已進行了55kW三相逆變器的應用試驗,混合模塊中采用600V/600ASiIGBT作三相逆變器的開關管,用六個600V/75A的SiCBSD代替三個600V/150A的Sip-n二極管。在感性負載試驗中,混合模塊的損耗比全Si模塊減少33.6%,在動態(tài)試驗中,混合模塊的平均損耗比全Si模塊減少10.6%~11.2%。試驗表明混合模塊逆變器工作在47kW峰值功率時,效率大于90%。2011年報道了混合模塊在100kW宇航用矩陣轉換器的應用試驗,全Si模塊采用1700V/600AIGBT和Si快恢復二極管,混合模塊采用1700V/50AIGBT和1200V/50ASiC二極管芯片。矩陣轉換器用于80kW負載的永磁電機的驅(qū)動試驗,試驗結果表明,SiC混合模塊比全Si模塊在12.5kHz頻率時的開關效率提高7.8%達94.7%,而且能工作到19kHz的更高頻率,相應的效率達93%。同年也報道了SiC和Si二極管在半橋模塊應用中的能耗分析,在全Si和混合模塊所用SiIGBT相同(1200V/100A),二極管分別為Si二極管(1200V/100A)和兩個SiCSBD(1200V/40A)。兩種模塊在600V和790A/μs開關比較試驗結果表明:SiC二極管最大反向恢復電流減少了60%,相應減少損耗58%;IGBT開關損耗減少了25%,IGBT總損耗減少15%;混合模塊的整個損耗減少了22%。2010年報道了3kVSiCJBS混合模塊應用于牽引逆變器,3kV/200A的兩種模塊由SiIGBT和Sip-n二極管(工作電流100A/cm2)以及SiCJBS二極管(密度為120A/cm2)分別構成。試驗結果表明,SiC混合模塊和全Si模塊相比,導通損耗減少到1/7,反向恢復損耗減少到1/10。預計變換器和逆變器的總損耗下降30%,該逆變器成功用于火車的牽引電機。隨著SiC功率開關晶體管的發(fā)展,全SiC的模塊也應運而生,在高壓和大電流的應用領域有新的突破,將在后續(xù)SiC功率開關晶體管發(fā)展內(nèi)容中進行介紹。SiC功率MOSFET適合高電壓開關工作,它和Si功率MOSFET相比具有較低的導通電阻、較快的開關速度和高溫工作能力。在1992年誕生的第一個SiC功率MOSFET,是溝槽柵的UMOSFET結構,存在兩個缺點:較低的反型層載流子遷移率導致大的導通電阻和在尖銳的溝槽拐角處的柵氧化層易擊穿。1997年為克服上述缺點而研發(fā)了雙注入工藝的平面結構的6H-SiC功率MOSFET,在n型襯底上外延10μm厚的n-漂移層(6.5×1015/cm3),采用硼掩蔽注入形成p阱,并用氮注入在p阱上形成n型的源接觸區(qū),p阱之間形成柵控溝道。該器件的擊穿電壓達到760V,比先前報道的SiCMOFET提高了3倍。2002年報道了2.4kV/10A的4H-SiCDMOSFET,在電子遷移率更高的4H-SiCn型襯底上外延20μm厚的n-漂移層(摻雜濃度2.5×1015/cm3),并增加了保護環(huán)終端技術。MOS溝道長度為1.5μm,由p阱和n+注入來確定,室溫時MOS溝道遷移率達22cm2/(V·s)。3.3mm×3.3mm的器件導通電流為10A,比導通電阻為42mΩ·cm2,關斷電壓達2.4kV。2004年報道了10kV、比導通電阻為123mΩ·cm2的4H-SiC功率DMOSFET,其比導通電阻(柵偏壓18V)比先前報道的同類器件減少43%,大約比Si的多子器件相應的理論值低163倍。改善的原因是采用較薄和摻雜濃度較高的n-漂移層(85μm厚,摻雜濃度8.0×1014/cm3),同時采用多重浮動保護環(huán)終端技術,其中包含15個保護環(huán),終端結構總長400μm達到10kV關斷電壓。MOS溝道長度為1.5μm,由p阱和n+源注入之間的距離來確定。柵偏壓-8V時,10kV漏偏壓時的漏電流為175μA。有源面積為4.24×10-3cm2的器件在關斷電壓4.7kV到導通電流為1.3A的開關測量試驗中,開關時間為100ns。為適應功率開關應用,需增大器件的工作電流,2006年報道了10kV/5A的4H-SiC功率DMOSFET,其有源區(qū)面積比先前報道的增加了25倍,n-漂移層厚100μm,摻雜濃度為6.0×1014/cm3。采用了基于邊緣終端結構的浮動保護環(huán)技術,其中包含65個保護環(huán),邊緣終端結構總長550μm。MOS溝道長度為0.5μm,由p阱和n+源注入之間的距離來確定,柵氧化層采用1175℃熱氧化后經(jīng)NO退火工藝。有源區(qū)面積為0.15cm2的器件的比導通電阻為111mΩ·cm2的(柵偏電壓15V),柵偏壓0V時,10kV漏偏壓時的漏電流為3.3μA。器件在關斷電壓為5.0kV到導通電流為6A的開關測量試驗中,開關時間為70ns。試驗表明和相應速度的二極管配對應用時,4H-SiC功率DMOSFET能用于高頻(20kHz)、高壓開關應用。2007年報道了10kV/50A,在25~200℃工作時具有亞閾值特性穩(wěn)定的4H-SiC功率DMOSFET,其有源區(qū)面積增至0.61cm2,n-漂移層厚100μm,摻雜濃度為5.0×1014/cm3,在p阱層上再外延生長約100nm厚的薄層,柵氧化層采用N2O氧化工藝。有源面積為0.15cm2的器件在漏偏壓5V和漏極電流5A的比導通電阻為155mΩ·cm2的(柵偏壓為10V),反向擊穿電壓為10kV。有源面積為0.61cm2的器件在漏偏壓為5V時的漏極電流為20A(柵偏壓為10V),在漏壓15V的電流為50A(柵偏壓為12V)。器件的Ids-Vgs亞閾值特性曲線隨溫度增加呈經(jīng)典的傾斜,這是由于本征載流子的增加填充了界面缺陷所至,而曲線斜率的傾斜導致閾值電壓的下降。但隨溫度增加,不存在固定電荷的電壓漂移;該電壓漂移會引起關斷的漏電流增加或?qū)е聹系烙沙ｊP轉為常開。影響SiCDMOSFET產(chǎn)品化的主要因素是柵氧化層的可靠性。SiC單晶中的C原子注入到SiC-SiO2的界面上,導致較高的界面缺陷密度;而由于溝道中電子的隧穿效應和界面缺陷的相互作用,會引起器件閾值電壓Vt的不穩(wěn)定。2009年已報道器件獲得了可靠的柵氧化層工藝,SiCDMOSFET通過了針對柵氧化層可靠性的三項試驗,清除了產(chǎn)品化的障礙。三項可靠性試驗:其一,高溫下的反向偏壓試驗(150℃,960V),器件在1000h試驗中工作非常穩(wěn)定,表明不存在由點缺陷引起的漏電失控效應。其二,介質(zhì)擊穿壽命試驗,在150℃和300℃兩種溫度下,進行17×9個試驗器件的柵氧化層的場強加速壽命試驗,得到相應的加速壽命曲線。從高場強下的壽命曲線反推到柵氧化層實際工作的較低電場20V(2.8MV/cm),預計其工作壽命大于100年。其三,柵穩(wěn)定性———高溫柵開關試驗,柵信號在15~0V之間開關,頻率為20kHz,占空比50%。試驗結果表明,Vt僅漂移0.25V,Rds,on增加小于20%,符合JEDEC有關穩(wěn)定性的規(guī)范。SiCDMOSFET是替代SiIGBT在電力電子應用中的最佳器件,目前SiCDMOSFET在1.2kV關斷電壓,有10,20,67A工作電流的產(chǎn)品,在10kV關斷電壓,有10A工作電流的產(chǎn)品,可和SiC二極管集成為全SiC的電力電子的開關模塊。2009年報道了高溫、高功率100A全SiC模塊,采用兩個1200V/50A性能改進的SiCDMOSFET芯片,芯片面積0.56cm2,比導通電阻20mΩ·cm2,Vt穩(wěn)定;與其相配的SiCJBS二極管為1200V/75A。該模塊在入口液冷90℃時,工作電流達90A并提供17kWDC/DC變換輸出功率,芯片的表面溫度達184℃。結果表明,SiCDMSFET可應用于SiIGBT因損耗和溫度而受限的系統(tǒng)中。2010年報道了1200V/400A全SiC模塊,其電路為半橋結構,采用16個芯片面積0.56cm2,1200V/50A的SiCDMOSFET和12個芯片面積0.48cm2SiCJBS二極管。模塊采用符合商用同類SiIGBT的封裝和引線,具有適合高溫的封裝和集成的液冷熱沉,在芯片-襯底,襯底與熱沉間的界面焊料焊接要保證非常低的空洞率。模塊在液冷溫度80℃,電流400A的直流試驗時,MOSFET芯片間的溫差為3℃,均流的效果較為接近(對應于50A工作電流的標準偏差為2A);二極管的鍵合引線較長,芯片較熱,芯片間的溫差為7℃,相對67A的均流的標準偏差為3A。在液冷溫度80℃、負載功率25kW和頻率達30kHz的DC/DC變換器開關試驗中,MOSFET芯片的平均溫升14.2℃。在此條件下,SiC模塊的實驗值和同類SiIGBT模塊的模擬值相比較,兩模塊的開關晶體管的損耗分別是0.35kW和2kW;二極管的損耗分別是0.19kW和1kW。2011年報道了1200V/800A全SiC模塊,由20個芯片面積0.56cm2,80ASiCMOSFET和20個芯片面積0.314cm2,50ASiCJBS二極管組成的1200V,800A全SiC雙功率模塊。模塊在液冷溫度80℃、電流700A的直流試驗時,在10個并聯(lián)的MOSFET芯片之間的電流不平衡小于9%。模塊工作在液冷溫度為80℃,負載電流為900A,母線電壓為600V的全橋電路試驗中,MOSFET芯片的平均結溫達153℃。依據(jù)實驗的數(shù)據(jù),并用于DC/AC逆變器電路模擬研究,以評估880A全SiC模塊和1400ASiIGBT模塊之間的比較。結果表明該全SiC模塊逆變器損耗比相應的SiIGBT模塊要減少40%,而開關頻率要高4倍。同年報道了用于1MVA固態(tài)電力變電站的10kV/120ASiCMOSFET半H-橋功率模塊,由兩組12個芯片面積0.656cm2,10kV/10ASiCDMOSFET和6個10kV/10ASiCJBS二極管分別構成的半H-橋電路中的上、下開關。在20V柵偏壓下,模塊在導通電流100A時的壓降為5V,在10kV關斷電壓時的漏電為亞微安量級,且該低漏電在150℃下、工作超過6000h后表現(xiàn)很穩(wěn)定。模塊在導通電流100A和關斷電壓5kV的雙脈沖開關試驗中,在開關頻率為20kHz時的開啟和關斷的轉換時間均小于200ns。該模塊已用于1MVA固態(tài)功率變電站,可實現(xiàn)13.8kV到465/槡3V的單相變壓,工作頻率可提高到20kHz,變壓器的重量減少75%,體積減少50%。固態(tài)功率變電所在855kV的效率為97%,模塊的溫升僅幾度。在兆瓦級固態(tài)功率變電站的應用,標志了全SiC模塊將在未來智能柵格電網(wǎng)中發(fā)揮關鍵作用。IGBT器件由于其簡單的柵驅(qū)動和較大的電流開關能力,在Si電力電子領域獲得較大的成功。而SiCMOS器件已推出高擊穿電壓和低界面態(tài)密度的器件,為SiCIGBT的開發(fā)鋪平了道路。基于溝道極性的不同SiCIGBT有兩種器件:p-IGBT是由p溝道MOS結構和寬基區(qū)npn晶體管構成,nIGBT是由n溝道MOS和寬基區(qū)pnp晶體管構成。理論上互補的SiCIGBT具有相同的特定導通電阻,可在AC電路中組成互補開關。n-IGBT具有更快的開關速度,由于其背面的p+np晶體管比n+pn(p-IGBT)有更低的電流增益。通過優(yōu)化設計場停止層的摻雜濃度、厚度和載流子的壽命,也可改善p-IGBT的開關性能。p-IGBT電流的主體是通過寬基區(qū)npn雙極晶體管的集電極,因此比電流主體是通過MOS溝道的SiCn-IGBT具有更高的跨導和更大的飽和電流。2005年報道了第一個10kV溝槽柵的4H-SiCp-IGBT,選擇溝槽柵的結構可達到高的溝道周長密度,但溝槽柵的邊墻使調(diào)整MOS閾值電壓變得困難。2006年報道了第一個平面型的4H-SiCp-IGBT,其關斷電壓為6kV,比導通電阻相當高,大于400mΩ·cm2。2007年報道了改進的7kV4H-SiCp-IGBT,微分比導通電阻下降為26mΩ·cm2,在n型襯底上外延生長1μm厚的p型緩沖層(1×1017~2×1017cm-3),以防止襯底在高注入效率時電場的穿通。p-漂移層厚100μm,摻雜濃度為26×1014~6×1014cm-3,再在p-層上生長1μm厚的p型電流分散層(5×1015~8×1015cm-3);可抑制JFET效應和分散了通過BJT段的電流以增強電導調(diào)制。優(yōu)化了n+阱的摻雜濃度分布和柵氧化工藝,在閾值電壓-7.6V時的溝道反型層的空穴遷移率達10cm2/(V·s)。器件的有源區(qū)面積為4mm2,在-16V柵偏壓和100A/cm2時的微分比導通電阻下降到26mΩ·cm2,對應的比導通電阻為48mΩ·cm2,在零柵偏壓下,關斷電壓7.5kV時漏電流密度小于0.2mA/cm2。在從關斷電壓為-3.96kV到導通電流為-6.24A的電感特性開關試驗中,關斷時間為1μs,存在小的拖尾現(xiàn)象,反映了器件中存在的電導調(diào)制機制。2008年報道了具有較低導通電阻的12kV4H-SiCp-IGBT,在n型襯底上外延生長1μm厚的p型的場停止層(1×1017cm-3),IGBT關斷層厚100μm,摻雜濃度為2×1014cm-3,在p-層上生長1μm厚的p型電流增強層(8×1015cm-3);可減少器件中存在的結型場效應區(qū)的電阻。器件有源區(qū)面積為0.4mm2,器件周邊由一個基于15區(qū)結終端延伸的終端技術所環(huán)繞,有效減少器件周邊的電場,關斷電壓12kV時漏電流僅10μA。在-16V柵偏壓和工作電流100A/cm2時的微分比導通電阻下降到18mΩ·cm2,相應的正向壓降為5.3V。在從關斷電壓為1.5kV到導通電流為0.5A的電感特性開關試驗中,該器件的開啟時間為40ns,關斷時間為2.8μs。2012年報道了15kV4H-SiCp-IGBT的新進展,在n型電子注入層/襯底上外延生長2μm厚的p型場停止緩沖層,摻雜濃度從1×1017cm-3變到5×1017cm-3,以實現(xiàn)較強的電荷注入控制。IGBT漂移層厚140μm,摻雜濃度為2×1014cm-3。采用多區(qū)結終端延伸技術,MOS溝道長度由n型阱的邊緣和p+源區(qū)邊緣之間的間距所限定,約為1μm。器件有源區(qū)面積和芯片面積分別為0.16cm2和6.7mm×6.7mm,在關斷電壓15kV時漏電流僅0.6μA。在-20V柵偏壓和工作電流200A/cm2時的微分比導通電阻為24mΩ·cm2,相應的正向壓降為11.2V。2004年報道了第一個溝槽柵1.8kVSiCn-IGBT,在柵偏壓-80V時關斷電壓1.8kV,其比導通電阻為13mΩ·cm2,比同類SiIGBT低兩個量級。2005年報道了平面型4kVSiCn-IGBT,在300μm厚p型4H-SiC襯底上外延n+埋層和20μm厚的n-漂移層(5×1015cm-3),采用自對準結構形成MOS器件。柵零偏壓時的IGBT集電極和發(fā)射極反向擊穿電壓達4kV。隨著4H-SiC材料質(zhì)量的提高和SiCMOS工藝、設計的成熟,2008年報道了10kV/4A的4H-SiCn-IGBT,SiC材料的進步突破了n-IGBT的p型襯底電阻較大的難題,在與集電極相聯(lián)的SiCp型低阻襯底上外延n型緩沖層;兩層精心設計以達到少子空穴好的注入效果同時不影響器件的關斷性能。外延n-漂移層厚100μm,摻雜濃度為3×1014cm-3,器件具有1mm寬的保護環(huán)的終端結構,以實現(xiàn)高的關斷電壓。芯片面積5mm×5mm的n-IGBT的微分比導通電阻為14.3mΩ·cm2,導通前的轉折電壓為3V,是厚而低摻雜的漂移層中的電導調(diào)制效應的結果。在300W/cm2功耗水平,n-IGBT能比MOSFET的工作電流密度高40%。n-IGBT在零柵偏壓時的關斷電壓在200℃下可達10kV,其相應常溫時的擊穿電壓達12kV。在典型的5kV關斷電壓開關試驗中,n-IGBT的關斷轉換時間為400ns,雖比10kV/10A的SiCMOSFET的140ns慢,但相比高關斷電壓的SiIGBT要快近一個量級。2010年報道了在獨立的SiC外延層上的高壓n-IGBT,在新的材料外延工藝中,傳統(tǒng)的厚p+襯底被較薄的p+外延層所代替,器件集電極電阻減少了兩個數(shù)量級。在n+SiC襯底的Si面上外延生長較低的底面缺陷的基層和1μm厚n+緩沖層后,繼續(xù)生長200μm厚的n漂移層(2×1014cm-3)、0.2μm厚的n+抑制電場穿通緩沖層(1×1018cm-3)和3μm厚的p+集電極層(1×1019cm-3)。然后用磨拋工藝去除襯底、基層、n+緩沖層和20μm厚的n-漂移層,器件在180μm厚的n-漂移層上的C面制備。采用自對準工藝形成MOS結構,器件的有源區(qū)面積為3.4×10-4cm2,在柵偏壓20V和功耗密度為300W/cm2時,其集電極電流密度為27.3A/cm2,相應的微分比導通電阻為177mΩ·cm2。依據(jù)180μm厚的n-漂移層和其摻雜濃度理論,預估該器件具有20kV的關斷能力。2012年報道了12.5kV高性能SiCn-IGBT,在p型空穴注入的外延層上生長兩種2μm和10μm厚的n型場停止緩沖層,IGBT的n-漂移層厚140μm,摻雜濃度為2×1014cm-3。采用多區(qū)結終端延伸技術,MOS溝道長度由p阱邊緣和n+源區(qū)邊緣之間的間距所限定,約為1μm。器件有源區(qū)面積和芯片面積分別為0.16cm2和6.7mm×6.7mm,在關斷電壓12.5kV時漏電流為15μA。在-20V柵偏壓和200A/cm2時的正向壓降為6.1V,相應的微分比導通電阻為2.5mΩ·cm2,比同類的SiCp-IGBT低4.5倍。具有2μm厚的場停止緩沖層的器件比10μm厚的器件的導通性能更好,表明其過量載流子濃度更高。在從關斷電壓為8kV到導通電流為5A的開關試驗中,n-IGBT的轉換時間比同類p-IGBT快,而具有10μm厚的場停止緩沖層的器件比2μm厚的器件具有更短的電壓上升時間(0.5μs,常溫時),表明較厚的場停止緩沖層有效減少了載流子向漂移層的注入。12~15kV的SiCIGBT的技術突破,有望在格柵互聯(lián)電網(wǎng)中的無變壓器的智能變電站中發(fā)揮更大作用,破解了6.5kVSiIGBT在該應用中串聯(lián)器件多、效率低和頻率低的難題,2012年報道了15kVSiCIGBT在無變壓器的智能變電站(TIPS)中應用的設計,15kVSiCIGBT用于TIPS中的三級逆變器,對輸入的AC13.5kV進行整流,開關頻率5kHz,整流后的母線DC電壓為22.5kV。該高壓由高頻DC/DC變換鏈經(jīng)過步進降壓至800V,采用1200VSiCMOFET組成的變換器模塊在20kHz軟開關。800V直流到480V三相AC的逆變由1200VSiCMOSFET在17kHz開關頻率的逆變器來完成。計算模擬表明,當TIPS供給800kW功率和600kVAR電抗功率的柵格電網(wǎng)時,其總效率為98.43%。SiCGTO晶閘管和4~6kV的SiGTO晶閘管相比可減少2~3倍串聯(lián)連接部件,同時系統(tǒng)的體積、重量和復雜度可下降2~3倍,其開關頻率較高,硬開關頻率為10kHz,軟開關頻率為100kHz,是SiGTO晶閘管的10倍。由于SiC器件特別低的反向漏電,對高溫時器件的熱崩和拴鎖有較好的抵抗力。1997年報道了第一個700V對稱結構4H-SiCGTO,其正向關斷電壓為600~800V,在500A/cm2時的壓降為4.8V,關斷時間1μs。SiCGTO的發(fā)展和SiC材料的進步密切相關。SiC晶片的微管密度,在20世紀90年代后期,大于10個/cm2;到2005年,小于1個/cm2;目前已是零微管缺陷。相應的GTO的芯片面積,1999年為2mm×2mm;2003年為3mm×3mm;2006年為4mm×4mm;2008年為7mm×7mm;2009年為10mm×10mm。在發(fā)展初期,GTO的漂移區(qū)厚50μm,摻雜濃度為1×1015cm-3,目前厚度已大于100μm,摻雜濃度為2×1014cm-3,相應的GTO的關斷電壓,2003年為5kV;2007年為6kV;2009年為9kV。GTO的載流子壽命,也從小于0.5μs增至2μs。2002年報道了3.1kV/100A的4H-SiCGTO模塊,由六個芯片面積1mm×1mm的GTO并聯(lián)而成。該器件在n+型4H-SiC襯底上外延生長1μm厚n+緩沖層(8×1017cm-3),2μm厚p型層(7×1017cm-3)以改善進入基區(qū)的注入效率。p-漂移區(qū)厚30μm,摻雜濃度為5×1014cm-3,以支撐在正向偏置關斷時的高電壓。采用結終端延伸技術以保證高的體擊穿條件。器件的關斷電壓為3.1kV,漏電小于5μA,薄的漂移區(qū)導致低的比導通電阻:3mΩ·cm2。GTO模塊在100A開關,其對應的電流密度為1670A/cm2,陰極電流在0.2μs內(nèi)從100A降至接近零。2004年報道了12.7kVSiC共柵關斷晶閘管(SICGT),器件的p-型緩沖層可減少來自發(fā)射極的過量載流子注入,在柵極下引入n+埋層以減少存儲時間。SICGT和GTO的不同點是,其具有低的關斷增益(小于1),低的柵寄生電感和除低存儲時間以外的無緩沖關斷工作。為達到高的關斷電壓,器件的p基區(qū)厚75~120μm,摻雜濃度為1×1014~2×1014cm-3,同時采用長度為200μm臺面結終端延伸技術。芯片面積為1mm×1mm的SICGT在常溫下關斷電壓為12.7kV,漏電為2mA/cm2;在250℃高溫下,9kV關斷電壓時的漏電僅為1mA/cm2,在100A/cm2工作電流時的導通電壓為6.6V。在從導通電流1.6A(電流密度為200A/cm2)到關斷電壓3kV的開關試驗中,器件的開啟與關