1 引言
就在幾年以前，碳化硅(sic)還在被人們認(rèn)為是功率器件的一種可選材料。這種情形已經(jīng)改變了，這是因為在襯底材料增長方面以及器件加工技術(shù)上sic都取得了重大進(jìn)展。目前，已經(jīng)有幾家廠商能夠提供sic肖特基勢壘二極管(sbd)。正是由于碳化硅功率器件的卓越動態(tài)性能才成為最初的推動力量，并使之邁入工業(yè)應(yīng)用階段。碳化硅功率器件能夠承受較高的工作溫度，這一性能將會進(jìn)一步提升未來階段的市場成長和工業(yè)利用。

2 功率肖特基勢壘二極管(sbd)
sic sbd早在2001年就已經(jīng)出現(xiàn)在市場上了，許多廠商，比如cree、ixys、microsemi和infineon(按照字母排序)已經(jīng)將sic sbd添加到他們的產(chǎn)品系列當(dāng)中。在設(shè)計sbd時，通過在sic中施加高臨界電場強度(大約10倍于硅)和極低少數(shù)載流子濃度(寬帶隙)，可以使得sbd的反向阻斷電壓達(dá)到3500v?，F(xiàn)有二極管基片的額定電流的范圍在2a~10a之間，阻斷電壓范圍在300v~1200v之間。
相對于超速/超快硅pin二極管，總體差別在于sbd不需要任何反向恢復(fù)充電，這種表現(xiàn)完全類似壓敏電容。因為能夠大大增強系統(tǒng)的優(yōu)點，所以sic sbd特別適合應(yīng)用在高開關(guān)頻率的應(yīng)用場合。600v低損耗超結(jié)硅mosfet與600v sic sbd組合使用將成為最佳搭檔，可以用在帶連續(xù)電流模式功率因數(shù)校正的開關(guān)電源(smps)中。
300v sic sbd的上市可以用作48v~60v快速輸出開關(guān)電源的整流二極管，因為在工作溫度下它們的可靠性與正向壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過gaas sbd。1200v sic sbd與硅igbt組合后可以作為理想的續(xù)流二極管。在工業(yè)利用上，sic sbd的首選應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)該為小功率逆變器和小容量并網(wǎng)能源再生系統(tǒng)中的dc-ac變換器(太陽能電池和燃料電池)。
在當(dāng)前的世界市場上，sic sbd的市場容量大約為4百萬us$，通過大大降低器件的成本，sic sbd的潛在世界市場容量將超過每年200百萬us$?？梢灶A(yù)見的趨向是:sic sbd成本將大大降低，單基片能夠承受更高的額定電流，阻斷電壓能夠提高到1700v。

3 單極性碳化硅功率開關(guān)
600v阻斷電壓范圍內(nèi)的sic功率開關(guān)面對有強大的競爭對手，即硅mosfet和硅igbt。對于逆變器等拓?fù)洌谟查_關(guān)條件下，當(dāng)它們的內(nèi)部二極管開通時，硅mosfet顯得并不適用。此時硅igbt的性能也遜色于sic器件。具有高結(jié)溫能力(200℃甚至更高)的超低導(dǎo)通電阻的sic開關(guān)(<5mωcm2比導(dǎo)通電阻)將有機會取得工業(yè)應(yīng)用，而且可以在惡劣的環(huán)境下使用。
阻斷電壓范圍在1200v~1800v的硅mosfet不僅體積大，而且價格昂貴。當(dāng)開關(guān)頻率較高時，硅igbt也不能夠承受動態(tài)損耗。而sic結(jié)場效應(yīng)晶體管具有無與倫比的較低比導(dǎo)通電阻，能夠承受高的工作溫度和非常高的開關(guān)頻率。我們采用1500v垂直sic結(jié)場效應(yīng)晶體管，并與60v硅mosfet組合使用，開發(fā)了阻斷電壓1500v、導(dǎo)通電阻0.5ω的混合共發(fā)共基開關(guān)，可以作為一個實例，目的在于向人們展示高技術(shù)性能和更具有吸引力的器件成本。預(yù)計不久，將會得到工業(yè)利用，可能首先應(yīng)用在諧振變換器和輔助電源上。
sic的n溝道逆變mosfet長期以來承受著較低的溝道遷移率，而且其門極氧化物的長期穩(wěn)定性也受到質(zhì)疑。然而，最近在氧化物技術(shù)上的進(jìn)步打消了人們的重大疑慮。采用1300℃下笑氣(n2o)熱氧化技術(shù)，我們成功地實驗出一只3kv sic mosfet，其室溫下的導(dǎo)通電阻為大約3ω，然而其僅僅使用了2.1mm2的基片面積。而且在150℃的結(jié)溫下，導(dǎo)通電阻為5ω，增加系數(shù)僅為1.65。額定阻斷電壓在1200v~1700v之間的sic mosfet在三年之內(nèi)將進(jìn)入市場，而且具有很高的性能價格比，這一點是非?？赡艿摹?BR>如果材料質(zhì)量和相關(guān)的成本得到重大改善，單極性sic功率器件的上限阻斷電壓可達(dá)3.5kv。樣品演示已經(jīng)顯示出了可以實現(xiàn)的性能。然而，鑒于產(chǎn)量和成本考慮以及可能需要更高的額定電流，作者并不設(shè)想在本次中期展望階段內(nèi)目睹將該器件能夠進(jìn)入市場，這一點將在下一節(jié)討論。
如果想使sic pn結(jié)通過大的電流，sic的導(dǎo)通電壓應(yīng)該控制在大約3v左右，這是因為sic具有寬帶隙(4h sic: 3.2ev@25℃)，因此只有獲得比硅pin二極管更加明顯的優(yōu)勢時sic pin二極管才可能在工業(yè)上得到應(yīng)用。關(guān)于阻斷電壓，sic功率器件可以實現(xiàn)3000v以上，但是，在電力電子行業(yè)，高的阻斷電壓往往伴隨需要大的工作電流，這意味著需要更大的基片面積。另外，sic還將面臨材料缺陷問題，由于大面積基片的產(chǎn)量太低，以致不能獲得一個足夠高的性能價格比，這反過來又將受材料成本過高的影響。
因此在中期展望(3年)中，作者并不奢望能夠看到sic pin二極管上市，但是值得說明的是sic pin二極管具有遠(yuǎn)期前景，這一點是非常重要的。

4 雙極性碳化硅功率開關(guān)
對于4.5kv和更高阻斷電壓的應(yīng)用，雙極性sic功率器件將比單極性sic功率器件更有實際應(yīng)用價值。設(shè)想在大型中壓傳動、交通系統(tǒng)或輸配電系統(tǒng)使用雙極性sic功率器件，毋庸置疑，在材料質(zhì)量上和少數(shù)載流子使用壽命上必須取得重大進(jìn)步，而且制定適當(dāng)?shù)膬r位也是必不可少的。對于sic pin二極管來說，這一點已經(jīng)討論過了。
大功率高壓雙極性碳化硅開關(guān)在未來的工業(yè)上不能得到利用，這僅僅是指從現(xiàn)在開始的可預(yù)見三年時間，根本不是意味著雙極性碳化硅功率開關(guān)永遠(yuǎn)不能得到工業(yè)利用。但是這將需要超過三年的時間來完成開發(fā)性能與價格滿意的高壓大功率sic功率器件，使得工業(yè)應(yīng)用得以起步。
開發(fā)出具有高工作溫度和能夠阻斷10kv甚至更高電壓的高動態(tài)性能功率器件是功率開關(guān)開發(fā)所面臨的最終挑戰(zhàn)，目前解決該任務(wù)只有一種可選材料，即sic。
阻斷電壓范圍在600v~1700v的雙極性結(jié)型晶體管(bjts)可能得到更早的工業(yè)應(yīng)用，因為它們能夠承受高溫和具有常閉特性。但是它們很難獲得類似單極性功率開關(guān)所具有的關(guān)鍵優(yōu)勢。因為對于單極性功率開關(guān)，其基片可以以一種不復(fù)雜的方式并聯(lián)，從而獲得高定額的器件電流，而且它們還可以以一種簡單的方法實現(xiàn)串聯(lián)。

5 結(jié)論
sic sbd已經(jīng)在市場上得到應(yīng)用，而且面臨良機，其市場容量將與日俱增。阻斷電壓范圍在1200v~1700v的單極性功率開關(guān)，如sic結(jié)型場效應(yīng)晶體管和sic mosfet將得到工業(yè)利用。限于成本與產(chǎn)量考慮，在未來三年中，單片開關(guān)電源(阻斷電壓乘以額定電流)可能不超過5000va。除了一種成熟的半導(dǎo)體器件技術(shù)以外，低缺陷密度3"sic晶片(cree, nc, usa)具有實用性是本中期展望現(xiàn)有的先決條件。
大功率高壓sic半導(dǎo)體器件正在開發(fā)當(dāng)中，一旦性能價格比適當(dāng)之后將得到工業(yè)應(yīng)用，尚且不再存在真正的可見障礙。應(yīng)該指出的是阻斷電壓范圍在600v~1700v之間的半導(dǎo)體功率器件的最高市場容量已經(jīng)統(tǒng)計出來。
致謝(略)