碳化硅(SiC)功率器件及其在航天电子产品中的应用前景展望

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1、碳化硅《北多坊率器侔反冀在航天电子产品幸的应用前景．展望白玉新刘俊琴李雪营英健张建国仲悦(中国运载火箭技术研究院18所，北京，100076)文摘：从碳化硅功率器件和普通硅功率器件的对比入手，介绍碳化硅功率器件的发展应用情况，分析把碳化硅功率器件推广到航天电子产品中的可行性，并对其可能的应用前景进行了初步的展望。关键词：碳化硅；功率器件；航天元器件；航天电子产品。随着全球气候变暖．“低碳”变成了当今社会的热门词语。“低碳经济”、“低碳生活方式”。甚至连最热门的房地产行业最近也推出了“低碳楼盘”。而归根到底。“

2、低碳”的本质就是降低能耗，减少二氧化碳的排放。据统计，60％。70％的电能是在低能耗系统中使用的．而绝大多数是消耗于电力变换和电力驱动。而提高电力利用效率中，起关键作用的是功率器件，因此如何降低功率器件的能耗已成为全球性的重要课题。在航天电子产品中，电子设备的功耗、体积和重量比地面设备更加重要．有时甚至是衡量该产品的主要指标。碳化硅(SiC)功率器件耐高温、抗辐射、具有较高的击穿电压和工作频率．适于在恶劣条件下工作，特别是与传统的硅(Si)功率器件相比，碳化硅功率器件可将功耗降低一半。因此可大幅度降低开关电

3、源、电机驱动器等电路的热耗、体积和重量。虽然．碳化硅功率器件在近几年才向市场推广．但目前已应用于混合动力汽车和电动汽车设备中．正因其在很多方面具有普通硅功率器件无一10一与伦比的优点．把碳化硅功率器件向航天电子产品中推广就具有了很重要的实际意义。1碳化硅(SiC)与硅(Si)材料器件的对比碳化硅(SiC)是原子的复合体而不是单晶体，碳化硅的物理特性取决于晶体中碳、硅原子的排列结构．性能的主要差异在于硅和碳原子的相对数目。以及原子排列的不同结构。最普通和典型的是六方晶系的结构。称之为6H—SiC、4H—SiC

4、和3C—SiC。碳化硅(SiC)半导体材料与常用的第一代半导体材料硅(Si)相比。在多个方面具有明显的优势。碳化硅(SiC)具有宽禁带(Si的2到3倍)、高击穿场强(si的lO倍)、高的热导率(Si的3倍)和强的抗辐射能力。1．1宽禁带提高了工作温度和可靠性宽禁带材料可提高器件的工作温度．6H—SiC和4H—SiC禁带宽度分别高达3．0eV和3．25eV．相应本征温度高达800℃以上：即便就是禁带最窄的3C—SiC．其禁带宽度也达到2．3eV左右。用碳化硅做成功率器件．其最高工作温度有可能超《航天标准化》2

5、011年第3期磋碰壁[鱼鱼』墟壁星壁厦左庄虚差生乏芒握生虚应厦虚虚屋望：直至瘟差过6000C．而硅的禁带宽度为1．12eV，理论最高工作温度200℃．但硅功率器件结温大于150℃～1750C后．可靠性和性能指标已经明显降低。1．2高击穿场强提高了耐压．减小了尺寸高的电子击穿场强带来了半导体功率器件击穿电压的提高。同时，由于电子击穿场强提高，在增加渗杂密度条件下。碳化硅功率器件漂移区的宽带可以降低，因此可减小功率器件的尺寸。1．3高热导率提高了功率密度热导率指标越高．材料向环境中传导热的能力越强．器件的温升越

6、小，越有利于提高功率器件的功率密度，同时更适合在高温环境下工作。1．4强的抗辐射能力。更适合在外太空环境中使用在辐射环境下．碳化硅器件的抗中子辐射能力至少是硅的4倍。因此是制作耐高温、抗辐射的电力电子功率器件和大功率微波器件的优良材料。2碳化硅(SiC)功率器件发展概况碳化硅功率器件的研发始于20世纪90年代．目前已成为新型功率半导体器件研究开发的主流。业界普遍认为碳化硅功率器件是一种真正的创新技术，有助于对抗全球气候变化，推动太阳能和节能照明系统的市场发展。2001年开始．随着碳化硅肖特基二极管(SiCS

7、BD)的商业化。揭开了碳化硅器件在功率电子领域替代硅器件的序幕。碳化硅肖特基二极管的主要应用领域是开关电源的有源功率因数校正、太阳能逆变器和电机驱动器等电源转换领域．但应用范围不仅限于此。图1为日本罗姆株式会社(ROHM)给出的碳化硅功率器件的目标市场前景。目前．市售的碳化硅功率器件主要有两种．即碳化硅肖特基二极管(SiCSBD)和碳化硅微波场效应管(SiCMESFET)。2．1国外发展情况德国英飞凌公司(Infineon)于2001年推出首批产品．在全球范围内率先提供碳化硅肖特基二极管。近些年来，英飞凌公

8、司在多个方面对碳化硅肖特基二极管技术进行了重大改进，例如浪涌电流稳定性、开关性能和产品成本，使碳化硅《航天标准化》2011年第3期图1碳化硅功率器件的市场前景技术惠及更多应用．并且降低了解决方案成本。2009年3月．英飞凌公司还推出了第三代薄型(thinQ)碳化硅肖特基二极管。美国科锐公司(Cree)在推出碳化硅肖特基二极管的同时．还重点推出了碳化硅射频功率微波场效应管(SiCRFPowerMESFET)，其中C