高温SiC器件的特性及发展

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1、高温SiC器件的特性及发展王俊湖南大学超大功率半导体研究中心湖南大学超大功率半导体研究中心目录1高温应用需求与挑战2高温SiC器件的特性及发展3思考和展望4小结湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战I.航空航天和太空探索飞行器：多电/全电系统逐步应用，部分控制器需长期可靠工作在高达225℃的条件下金星计划：探测设备需耐受金星表面高达460℃的温度探月工程：月球白天表面温度达127℃，夜晚温度低至-153℃，极大的温差不仅需要器件可以耐高温，还需要防止器件由于温度循环造成过早老化失效…

2、…T>225℃推进器中靠近执行部件的控制单元金星表面T>460℃月球表面T约127℃且昼夜温差极大湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战II.能源发展深度地层空间石油、天然气勘测和开采（超过7000米的地层，温度超过175℃）核能，在核反应堆冷却剂出口附近的温度可高达700~800℃地热能，研究表明200~400℃的地热可以直接用来发电，有望改善能源结构……T>175℃T可达700℃以上T>200℃能源是人类社会赖以生存和发展的基石，面对全球能源逐步枯竭的现状，研究如何在更复杂的环境

3、和条件下开采深度地层空间能源和发展可持续能源是一项重大课题。湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战III.混合动力汽车新型的混合动力汽车在节能减排方面有巨大的优势，但其电动系统部分的温度很多都在150℃以上，目前的半导体器件难以长期稳定工作在这种高温环境中，因此，电动汽车产业的发展亟需耐高温的半导体器件的支持。湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战应用需求：工作在更极端的高温环境系统具有长期的高可靠性系统趋于小型化、轻量化现有解决方案及其不足：高温隔离增加了系统的体积/

4、重量/成本/复杂性飞机发动机控制系统附加冷却系统降低了整个系统的可靠性未来解决方案：提高半导体器件的高温承受能力和极端环境下的可靠性地下钻探作业湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战15104H-SiC310Si-10510高频010高功率密度-510本征载流子浓度/cm-10抗辐照强10300350400450500550600650700耐高温温度/K湖南大学超大功率半导体研究中心高温应用需求与挑战600-1700V商用高温器件最高耐受温度（℃）对比250200150100SOI

5、ICSiIGBTSiMOSFETSiCJFETSiCSiCBJTMOSFETSiCJFET(Infeneon)SiCMOSFET(Microsemi)SiCBJT(GeneSiC)湖南大学超大功率半导体研究中心发展现状分立器件IC芯片SiC高温器件封装及应用功率集成应用湖南大学超大功率半导体研究中心分立器件不同高温分立器件的比较：SiCMOSFET:研究表明，目前技术条件下栅氧在225℃以上高温环境中不具有长期可靠性[1]；SiCJFET:没有MOS结构和肖特基接触，可以在高温下工作，但目前的S

6、iCJFET多为常通型器件，采用负压关断，和主流的驱动控制不兼容，而且负压关断会降低整个系统的可靠性。目前是以美国宇航局格伦研究中心为代表的研究机构的研究对象；SiCBJT:没有MOS结构和肖特基接触，可以在高温下工作，但工作时有较大的驱动损耗，但可靠性较高。目前是以欧洲瑞典皇家理工学院（KTH）为主的研究机构的研究对象；[1]G.T.D.L.Yu,K.S.Matocha,K.P.Cheung,J.S.Suehle,andK.Sheng,"ReliabilityIssuesofSiCMOSFETs

7、:ATechnologyforHigh-TemperatureEnvironments,"IEEETransactionsonDeviceandMaterialsReliability,vol.10,pp.418-426,Dec.2010湖南大学超大功率半导体研究中心分立器件——JFET（NASAGlennReserchCenter）目前，高温SiCJFET的研发主要针对航天领域，如欧美的金星计划（金星表面温度为462℃），研究结构包括美国航空航天局格伦研究中心、罗格斯大学和凯撒西储大学等，报道的S

8、iCJFET在460℃条件下可工作521小时，或在727℃时工作25小时。湖南大学超大功率半导体研究中心分立器件——BJT在高温SiCBJT的研发方面，瑞典皇家理工学院（KTH）的研究水平较高，已经报道了耐500℃的SiCBJT器件。（KTH）产品化方面：美国CeneSiC公司公布了耐高温210℃的商用SiCBJT产品湖南大学超大功率半导体研究中心发展现状——IC2011201220132014201520162017Transistors（NASA2014）perI