大功率半导体技术现状及其进展

介绍了现代硅基大功率半导体器件的历史演变和新型器件结构的研究进展,以及宽禁带半导体材料和器件的现状;阐述了国内大功率半导体器件在轨道交通、直流输电和新能源汽车等领域的研发进展和应用现状;最后讨论了大功率半导体技术面临的技术挑战和发展趋势。

Sirenza优质LDMOS功率晶体管介绍

LDMOS是横向双扩散金属氧化物半导体场效应管LDMOSFET（lateral double—dif fused MOSFET）的简称。LDMOS制造工艺结合了硅双极晶体管制造工艺和砷化镓制造工艺。与标准MOS工艺不同的是，在器件封装上，LDMOS没有采用BeO氧化铍隔离层，而是直接硬焊接在衬底上，导热性能得到较大改善，提高了器件的耐高温性，大大延长了器件寿命。

6.5 kV,5 A 4H-SiC 功率 DMOSFET器件

报道了在60μm厚、掺杂浓度1.3×10^(15) cm^(-3)的外延层上制备4H-SiC功率DMOSFET器件的研究结果。器件击穿电压大于6.5 kV,导通电流大于5 A,相对于之前的报道结果,器件导通能力提升了25倍。器件采用由55根环组成的,450μm宽的浮空场限环作为器件终端结构。通过1 250°C热氧化工艺和NO退火技术,完成器件栅介质层制备。通过横向MOSFET测试图形,提取器件峰值有效沟道迁移率为23 cm^2/(V·s)。器件有源区面积为0.09 cm^2,在栅极电压20 V、室温下,器件比导通电阻为50 mΩ·cm^2。在漏极电压6.5 kV时,器件漏电流为6.0μA,对应器件漏电流密度为30μA·cm^(-2)。基于此设计结构,通过设计实验,提取了SiC DMOSFET器件中电阻比例组成。

考虑异质器件混用与输出电平倍增的混合型MMC及其调控方法

首先,为提高模块化多电平换流器(MMC)输出波形质量、降低装置运行损耗,提出一种基于Si和SiC器件组合应用的混合型模块化多电平变换器(HMMC)拓扑结构。该拓扑每个桥臂包含N个Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件的半桥子模块,每相交流侧串联一个直流侧电压为半桥子模块一半的SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)全桥子模块,整体经济性较好。其次,提出一种面向输出电平数倍增的HMMC高、低频混合调制策略,并充分发挥SiC MOSFET开关损耗低的优势,在减小HMMC输出谐波的同时降低整体运行损耗。此外,分析混合调制策略下HMMC异质子模块直流侧能量的波动规律,提出一种高、低频模块直流侧电压稳定控制策略。最后,仿真和实验验证了所提HMMC拓扑结构和调制策略的可行性,并将所提HMMC、基于单一器件MMC和现有HMMC在损耗和成本方面进行综合对比,证明了该方案在降低损耗和减小成本方面优势显著。

基于SiC和Si器件的燃料电池汽车DC-DC变换器的性能

为实现燃料电池汽车输出电压、功率的调节与控制,采用了一种交错式双Boost电路的大功率直流-直流(DC-DC)变换器,其中应用了Si和SiC功率器件。基于电路损耗计算和效率仿真手段,对比分析了全SiC[金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件、SiC二极管]、SiC MOSFET和Si二极管的混合器件和全硅Si[绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件、Si二极管]的变换器在电路损耗。结果表明:Si IGBT的开通和关断损耗约是SiC MOSFET的3倍和10倍,在不同工况下,全SiC变换器的转换效率比全Si变换器高1%~3.1%。因而,SiC功率器件在大功率DC-DC变换器的应用中,能够提高功率密度、可靠性和动力系统工作效率。

寄生参数对SiC MOSFET开关特性的影响

为了研究高开关速度下寄生参数对SiC MOSFET开关特性的影响,以双脉冲测试电路为平台,借助于LTspice软件,探讨了栅极寄生电阻RG、寄生电感以及寄生电容对SiC MOSFET开通和关断时间,开通和关断损耗,电压和电流尖峰的影响。结果表明:RG对寄生振铃有抑制作用,但需要以增大开关时间和开关损耗为代价;源极电感LS具有负反馈作用,其对寄生振铃的抑制也是以增大开关时间和开关损耗为代价;漏极电感LD和栅极电感LG的增加都会使电流和电压尖峰增大,LD的作用较LG明显;漏源极电容CDS是产生电压和电流尖峰的主要因素;栅漏极电容CGD的大小决定了漏源极电压uDS的变化速率;栅源极电容CGS主要决定了器件的开关延时时间和漏极电流的变化速率,对寄生振铃影响不大。

功率集成器件及其兼容技术的发展

功率集成器件在交流转直流(AC/DC)电源转换IC、高压栅驱动IC、LED驱动IC等领域均有着广泛的应用。介绍了典型的可集成功率高压器件,包括不同电压等级的横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(LDMOS)以及基于硅和SOI材料的横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT),此外还介绍了高低压器件集成的BCD工艺和其他的功率集成关键技术,包括隔离技术、高压互连技术、dV/dt技术、di/dt技术、抗闩锁技术等,最后讨论了功率集成器件及其兼容技术的发展趋势。

SiC电力电子学产业化技术的创新发展

进入21世纪后,宽禁带半导体SiC电力电子学发展迅速,SiC二极管和SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)先后进入商品化,在电动汽车等绿色能源的应用发展的带动下,SiC电力电子学进入产业化快速发展阶段。介绍了SiC电力电子学在大尺寸SiC单晶,低成本SiC功率器件制造,SiC二极管、SiC MOSFET、SiC绝缘栅双极晶体管(IGBT)和SiC门极关断晶闸管(GTO)等功率器件,SiC封装和模块,以及高开关频率SiC器件的应用创新等产业化技术方面的最新进展。其中包含了大尺寸SiC单晶生长技术,基于商用Si CMOS生产线的SiC功率器件制备新工艺,SiC二极管的新结构与新工艺,SiC MOSFET的超级结结构、FinFET结构、高k介质栅与可靠性技术,SiC IGBT和SiC GTO的n沟道新器件及载流子寿命增强新工艺,SiC功率模块的设计与新装联工艺,SiC功率器件应用的新拓扑结构,栅极驱动电路与抑制寄生效应的新技术等。分析和评价了SiC电力电子学产业化的发展态势。

氮退火对SiC MOSFET静态电参数的影响

为了研究栅氧化后退火工艺条件对金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)静态电参数的影响并分析实验数据,对栅氧化层采用不同温度、时间和气体进行氮退火,制备了n沟道4H-SiC双注入MOSFET(DIMOSFET)。对制备的DIMOSFET在结温25℃和175℃下进行了阈值电压和漏源电流的测试,并结合仿真探讨了SiC/SiO_(2)界面陷阱分布对25℃和175℃结温下阈值电压的影响以及沟道迁移率和库仑散射温度指数对漏源电流的影响。实验和仿真结果表明,随着NO退火温度的降低,漏源电流的温度系数由负转正,且沟道迁移率中库仑散射温度指数增加;高温N_(2)退火对静态电参数没有影响;界面空穴陷阱能级宽度对阈值电压的高温漂移量起主要作用;漏源电流随沟道迁移率的增加呈非线性增长。

SiC电力电子学产业化技术的创新发展(续)

进入21世纪后,宽禁带半导体SiC电力电子学发展迅速,SiC二极管和SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)先后进入商品化,在电动汽车等绿色能源的应用发展的带动下,SiC电力电子学进入产业化快速发展阶段。介绍了SiC电力电子学在大尺寸SiC单晶,低成本SiC功率器件制造,SiC二极管、SiC MOSFET、SiC绝缘栅双极晶体管(IGBT)和SiC门极关断晶闸管(GTO)等功率器件,SiC封装和模块,以及高开关频率SiC器件的应用创新等产业化技术方面的最新进展。其中包含了大尺寸SiC单晶生长技术,基于商用Si CMOS生产线的SiC功率器件制备新工艺,SiC二极管的新结构与新工艺,SiC MOSFET的超级结结构、FinFET结构、高k介质栅与可靠性技术,SiC IGBT和SiC GTO的n沟道新器件及载流子寿命增强新工艺,SiC功率模块的设计与新装联工艺,SiC功率器件应用的新拓扑结构,栅极驱动电路与抑制寄生效应的新技术等。分析和评价了SiC电力电子学产业化的发展态势。

中国功率器件市场MOSFET成亮点

在中国功率器件市场中，电源管理IC仍旧占据市场首要位置，MOSFET（金属－氧化物－半导体场效应晶体管）位于第二位，大功率晶体管位于第三位，此三大产品销售额占整体市场的80％以上。IGBT（绝缘栅双极晶体管）销售额虽然不大，但随着其在工业控制、消费电子领域中应用的不断增多，其市场销售额保持着较快的增长，是中国功率器件市场中的新兴产品。

编者按

20世纪80年代开始,半导体功率器件获得了突飞猛进的发展,继双极晶体管BJT（亦称GTR）刷新了之前的晶闸管SCR之后,金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT等快速功率开关器件又相继登场,而后又出现了具有强功率输出能力的门极可关断晶闸管GTO、集成门极换相晶闸管IGCT乃至静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH。半导体功率器件的快速发展推动了电力电子变换技术及其产业应用领域的迅速壮大,如今,生产、生活、医疗卫生、交通运输、