各种SiC功率器件的研究和开发进入迅速发展时期
电力电子器件的最新发展趋势
电力电子器件的最新发展趋势现代的电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）至关重要，从而已迅速发展成为一门独立学科领域。
它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成为本世纪乃至下世纪重要关键技术之一。
近几年西方发达的国家，尽管总体经济的增长速度较慢，电力电子技术仍一直保持着每年百分之十几的高速增长。
从历史上看，每一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。
以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的20%～30%，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作用。
众所周知，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在截止状态时能承受高电压；在导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和dv/dt，以及具有全控功能。
自从50年代，硅晶闸管问世以后，20多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力，并已取得了使世人瞩目的成就。
60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1kHz以上。
70年代中期，高功率晶体管和功率MOSFET问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。
80年代，绝缘栅门控双极型晶体管(IGBT) 问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。
它的迅速发展，又激励了人们对综合功率MOSFET和晶闸管两者功能的新型功率器件- MOSFET门控晶闸管的研究。
因此，当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的性能改进、MOS门控晶闸管以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。
下面就近几年来上述功率器件的最新发展加以综述。
一、功率晶闸管的最新发展1．超大功率晶闸管晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近3000倍。
功率器件国内外现状、水平和发展趋势
功率器件国内外现状、水平和发展趋势下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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功率半导体器件发展概述
功率半导体器件发展概述功率半导体器件是指能够承受较高电流和电压的半导体器件。
它们广泛应用于电力电子、汽车电子、航天航空等领域，具有高效率、小体积、轻量化等优势，对能源的高效利用和环境保护具有重要作用。
下面将对功率半导体器件的发展历程进行概述。
20世纪40年代，晶体管的发明和发展催生了功率半导体器件的诞生。
最早的功率半导体器件是由晶体管和二极管组成的，如功率晶体三极管和功率二极管。
这些器件应用于通信、电视、广播等领域，开启了功率半导体器件的发展之路。
20世纪50年代，随着半导体材料和制造工艺的不断改进，出现了一系列新型功率半导体器件，如功率MOSFET、功率势控晶体管（SCR）等。
这些器件具有更高的电压、电流承受能力，广泛应用于电力电子和工业自动化控制系统。
20世纪60年代至70年代，随着功率电子技术的进一步发展，功率半导体器件的性能得到了进一步提升。
功率MOSFET得到了广泛应用，功率MOSFET的开关速度和导通电阻都有很大改进，使其在高频率开关电源和高速交流电机等应用中具有重要作用。
此外，绝缘栅双极晶体管（IGBT）也成为功率半导体器件的重要代表，它结合了功率MOSFET和功率BJT的优点，具有低导通压降和高开关速度等优势，被广泛应用于交流变频调速系统。
20世纪80年代至90年代，功率半导体器件的发展受到了电子信息技术快速发展的推动。
新型器件的不断涌现，如GTO（大功率双极晶闸管）、SIT（静电感应晶体管）、电流模式控制晶闸管（IGCT）等，使得功率半导体器件在电动车、电力系统和工业自动化等领域得到了广泛应用。
进入21世纪以来，功率半导体器件的发展重点逐渐从性能提升转向能源效率和可靠性改进。
新型器件的研究和开发不断涌现，如SiC（碳化硅）功率器件、GaN（氮化镓）功率器件等。
这些器件具有更低的开关损耗和更高的工作温度，具备更高的效率和更小的体积，被广泛应用于新能源、新能源汽车等领域。
总的来说，功率半导体器件在过去几十年中经历了从晶体管、二极管到MOSFET、SCR，再到IGBT、GTO和新材料器件的发展过程。
全球及中国碳化硅(SiC)行业现状及发展趋势分析
全球及中国碳化硅（SiC）行业现状及发展趋势分析一、碳化硅产业概述碳化硅是一种无机物，化学式为SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。
碳化硅是一种半导体，在自然界中以极其罕见的矿物莫桑石的形式存在。
自1893年以来已经被大规模生产为粉末和晶体，用作磨料等。
在C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅是应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。
中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体。
碳化硅常用品种二、碳化硅行业发展相关政策近年来，随着半导体行业的迅速发展，碳化硅行业也受到各级政府的高度重视和国家产业政策的重点支持。
国家陆续出台了多项政策，鼓励碳化硅行业发展与创新，如科技部在2020年发布的《“战略性先进电子材料”重点专项2020年度项目》中指出支持功率碳化硅芯片和器件在移动储能装置中的应用(应用示范类)，为碳化硅行业提供了良好的发展环境。
碳化硅行业发展相关政策相关报告：产业研究院发布的《2024-2030年中国碳化硅（SiC）行业发展运行现状及投资战略规划报告》三、碳化硅行业产业链1、碳化硅行业产业链结构图碳化硅行业产业链主要包括原材料、衬底材料、外延材料以及器件和模块等环节。
在上游，原材料主要包括各类硅烷、氮化硼等，这些原材料经过加工后制成碳化硅衬底材料。
碳化硅衬底材料进一步加工后，可以制成外延材料。
碳化硅器件和模块被广泛应用于各个领域，包括5G通信、新能源汽车、光伏、半导体、轨道交通、钢铁行业、建材行业等。
碳化硅行业产业链结构图2、碳化硅行业上游产业分析碳化硅产业链价值量倒挂，关键部分主要集中在上游端，其中衬底生产成本占总成本的47%，外延环节成本占23%，合计上游成本占到碳化硅生产链总成本的约70%。
其中衬底制造技术壁垒最高、价值量最大，既决定了上游原材料制备的方式及相关参数，同时也决定着下游器件的性能，是未来碳化硅大规模产业化推进的核心。
宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望
Ｐｏｗｅｒ
ａｎｄ Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ
ＺＨＡＮＧ Ｂｏ，ＤＥＮＧ Ｘｉａｏ－ｃｈｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｙｏｕ—ｒｌｌｎ，ＬＩ Ｚｈａｏ－ｊｉ （Ｓｔａｔｅ ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ
第２期 ２００９年４月
中国露；料譬研宪隍学板
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＣＡＥＩＴ
Ｖ０１．４ ＮＯ．２ Ａｐｒ．２００９
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（ＳｉＣ）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
美国ＤＡＲＰＡ高功率电子器件应用计划—— ＨＰＥ的目标有四个（如图１所示），即，大尺寸高质 量ＳｉＣ导电衬底和轻掺杂的厚外延材料生长技术； １０～２０ ｋＶ的ＳｉＣ功率器件（ＰｉＮ、ＭＯＳＦＥＴ和ＩＧＢＴ 等）制造技术；大功率ＳｉＣ器件的测试、可靠性和封
万方数据
装技术；集成ＳｉＣ功率器件模块的２．７ ＭＶＡ固态功 率变电站（ＳＳＰＳ，ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｂｓｔａｔｉｏ子和光电子领域Ｊ均研究热点。
２ ＳｉＣ功率半导体器件发展现状
２。１ ＳｉＣ功率整流器 功率整流器是功率半导体器件的重要分支，主
要包括肖特基势垒二极管（ＳＢＤ，ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉ— ｏｄｅ），ＰｉＮ二极管和结势垒肖特基二扳管（ＪＢＳ，ｊｕｎｃ— ｔｉｏｎ ｂａｒｒｉｅｒ ｓｅｈｏｔｔｋｙ ｄｉｏｄｅ）。
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（ＷＢＧＳＴＩ，ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ），成为加 速和改善ＳｉＣ、ＧａＮ等宽禁带材料和器件特性的重 要“催化剂”，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ＥＳＣＡＰＥＥ和日本ＮＥＤＯ也迅速开展了宽禁带半 导体技术的研究。
SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景
SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景近年来，Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善，已经接近其材料特性决定的理论极限，依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。
本文首先介绍了SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景，其次阐述了SiC功率器件发展中存在的问题，最后介绍了SiC功率半导体器件的突破。
SiC功率半导体器件技术发展现状1、碳化硅功率二极管碳化硅功率二极管有三种类型：肖特基二极管（SBD）、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管（JBS）。
由于存在肖特基势垒，SBD具有较低的结势垒高度。
因此，SBD具有低正向电压的优势。
SiC SBD的出现将SBD的应用范围从250 V提高到了1200 V。
同时，其高温特性好，从室温到由管壳限定的175℃，反向漏电流几乎没有增加。
在3 kV以上的整流器应用领域，SiC PiN和SiC JBS二极管由于比Si整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度以及更小的体积和更轻的重量而备受关注。
2、单极型功率晶体管，碳化硅功率MOSFET器件硅功率MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。
在300V以下的功率器件领域，是首选的器件。
有文献报道已成功研制出阻断电压10 kV 的SiC MOSFET。
研究人员认为，碳化硅MOSFET器件在3kV～5 kV领域将占据优势地位。
尽管遇到了不少困难，具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件的研发还是取得了显著进展。
另外，有报道介绍，碳化硅MOSFET栅氧层的可靠性已得到明显提高。
在350℃条件下有良好的可靠性。
这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是碳化硅MOSFET的一个显著的问题。
3、碳化硅绝缘栅双极晶体管（SiC BJT、SiC IGBT）和碳化硅晶闸管（SiC Thyristor）最近报道了阻断电压12kV的碳化硅P型IGBT器件，并具有良好的正向电流能力。
碳化硅IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。
SiC材料到底有多大的作用？
SiC 材料到底有多大的作用？
在可以预见的未来，我们将看到SiC 对电力电子行业产生的革命性影响。
SiC-MOSFET 用于太阳能，UPS，工业等应用时，可以使得逆变器效率更高，输出功率更大，系统尺寸更小，致冷系统更简单（散热器体积更小或
采用空气对流致冷）。
上世纪四五十年代，以硅(Si)和锗(Ge)为代表的第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
经过几十年的发展，硅材料的制备与工艺日臻完美，Si 基器件的设计和开发也经过了多次迭代和优化，正在逐渐接近硅材料的极限，Si 基器件性能提高的潜力愈来愈小。
现代电子技术对半导体材料提出了高温、高功率、高压、高频以及抗辐射
等新要求，而宽带隙第三代半导体材料SiC 拥有卓越的开关性能、温度稳定性和低电磁干扰(EMI)，极其适合下一代电源转换应用，如太阳能逆变器、电源、电动汽车和工业动力。
SiC 功率器件的研发始于1970 年代，80 年代SiC 晶体质量和制造工艺获得大幅改进，随着90 年代高品质6H-SiC 和4H-SiC 外延层生长技术的成功应用，各种SiC 功率器件的研究和开发进入迅速发展时期。
SiC 是由硅和碳组成的化合物半导体材料，C 原子和Si 原子不同的结合方式使SiC 拥有多种晶格结构，如4H,6H,3C 等等。
4H-SiC 因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，常被用来做功率器件。
下表是4H-SiC 与Si 物理特性对比。
我们可以清楚地看到4H-SiC 禁带宽度为Si 的3 倍，击穿场强为Si 的10 倍，漂移率为Si 的2 倍，热导率为Si 的2.5 倍。
图1：Si，4H-SiC，SiC 物理参量对比。
SiC功率器件研究与应用进展
化 物 场效 应 晶体 管 （ ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ） 和Ｓ ｉ Ｃ 绝缘 栅 双 极 型 晶 体 管 （ Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ） 器 件 的研 究进 展 ， 以及 Ｓ ｉ Ｃ 功 率 器件 商 品化应 用情 况 。
关键 词 ： 碳 化硅 ； 肖特 基势 垒二极 管 ； 金属 ． 氧 化 物半 导体 场 效 应 晶体 管 中 图分 类号 ： Ｔ Ｎ６ ０ ５ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ ４ ． ４ ５ ０ ７ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ６ ． ０ ０ ０ １ ． ０ ６
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｓ ｉ Ｃ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｄｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ
Ｗ ＡＮＧ Ｊ ｉ ａ ｎｇ ｍｅ ｉ ，Ｗ ＡＮＧ Ｙｏ ｎｇ ｗｅ ｉ
ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ （ ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ ）
Ｓ ｉ Ｃ 与 Ｇａ Ｎ 同为第三 代 宽禁 带半导 体材料 。
由于 Ｓ ｉ Ｃ 材料 具有 禁 带 宽度 大 、 击 穿 电场 强 度 高 、
上 制 定 了 相应 的研 究 规 划 ，而 且 一 些 国 际 电子 业
件 的研 究 非 常 重 视 ， 美、 欧、 日等 不 仅 从 政 府 层 面
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ７ ． １ １ — １ Ｏ
半 导 体 制 造 工 艺 与 设 备
临 难 以逾 越 的 瓶 预 。 以 Ｓ ｉ Ｃ 为代 表 的 第三 代 半
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各种SiC功率器件的研究和开发进入迅速发展时期
上世纪四五十年代，以硅(Si)和锗(Ge)为代表的第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
经过几十年的发展，硅材料的制备与工艺日臻完美，Si基器件的设计和开发也经过了多次迭代和优化，正在逐渐接近硅材料的极限，Si基器件性能提高的潜力愈来愈小。
现代电子技术对半导体材料提出了高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等新要求，而宽带隙第三代半导体材料SiC拥有非常高的击穿场强、卓越的开关性能和良好的热导率，极其适合下一代电源转换应用，如太阳能逆变器、UPS、电动汽车和工业传动等。
SiC功率器件的研发始于1970年代，80年代SiC晶体质量和制造工艺获得大幅改进，随着90年代高品质6H-SiC和4H-SiC外延层生长技术的成功应用，各种SiC功率器件的研究和开发进入迅速发展时期。
SiC是由硅和碳组成的化合物半导体材料，C原子和Si原子不同的结合方式使SiC拥有多种晶格结构，如4H,6H,3C等等。
4H-SiC因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，常被用来做功率器件。
下表是4H-SiC与Si物理特性对比。
我们可以清楚地看到4H-SiC禁带宽度为Si的3倍，击穿场强为Si的10倍，漂移率为Si的2倍，热导率为Si 的2.5倍。
这些优异的特性是如何带来功率器件的改变呢？我们接下来分三个方面详细地分析一下。
击穿电压与通态电阻
击穿电压是功率器件的一个重要指标。
功率开关器件的正向电压承受能力与其漂移区的长度和电阻率有关，而单极功率开关器件的通态电阻又直接决定于漂移区的长度和电阻率，与其制造材料击穿电场强度的立方成反比。
因为4H-SiC有10倍于Si的击穿电场强度，因此基于SiC的功率器件允许使用更薄的漂移区来维持更高的阻断电压，从而显著降低了正向压降以及导通损耗。
由下图可见，如果要获得5000V的耐压，使用掺杂为2.5e13/cm3的衬底材料，Si基功率器件需要漂移层厚度0.5mm，单位面积电阻为10Ωcm2；SiC MOSFET使用掺杂为2.0e15/cm3的漂移层，需要的厚度仅有0.05mm，单位面积电阻仅为。