专题报道

碳化硅功率半导体技术


2022年 第22卷 第2~6期


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“碳化硅功率半导体器技术”专题前言 邓小川 摘要 （82）      PDF （284KB）（166）    可视化    相关文章 | 多维度评价 2022年第22卷第2期 pp. 020100

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SiC MOSFET栅极驱动电路研究综述* 周泽坤, 曹建文, 张志坚, 张 波 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.0201 摘要 （2230）      PDF （3737KB）（621）    可视化    凭借碳化硅（SiC）材料具有宽禁带、高击穿电场、高电子饱和速率和高导热性等优点，SiC MOSFET广泛应用在高压、高频等大功率场合。传统基于硅（Si）MOSFET的驱动电路无法完全发挥SiC MOSFET的优异性能，针对SiC MOSFET的应用有必要采用合适的栅驱动设计技术。目前，已经有很多学者在该领域中有一定的研究基础，为SiC MOSFET驱动电路的设计提供了参考。对现有基于SiC MOSFET的PCB板级设计技术进行了详细说明，并从开关速度、电磁干扰噪声以及能量损耗等方面对其进行了总结和分析，给出了针对SiC MOSFET驱动电路的设计考虑和建议。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2022年第22卷第2期 pp. 020101

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碳化硅器件挑战现有封装技术 曹建武, 罗宁胜, Pierre Delatte, Etienne Vanzieleghem, Rupert Burbidge DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.0202 摘要 （3034）      PDF （3695KB）（1404）    可视化    碳化硅（SiC）器件的新特性和移动应用的功率密度要求给功率器件的封装技术提出了新的挑战。现有功率器件的封装技术主要是在硅基的绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）等基础上发展起来的，并一直都在演进，但这些渐进改良尚不足以充分发挥SiC器件的性能，因而封装技术需要革命性的进步。在简述现有封装技术及其演进的基础上，主要从功率模块的角度讨论了封装技术的发展方向。同时讨论了功率模块的新型叠层结构以及封装技术的离散化、高温化趋势，并对SiC器件封装技术的发展方向做出了综合评估。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2022年第22卷第2期 pp. 020102

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SiC车用电机驱动研究发展与关键技术 宁圃奇, 郑 丹, 康玉慧, 陈永胜, 崔 健, 张 栋, 李 晔, 范 涛 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.0301 摘要 （748）      PDF （2807KB）（488）    可视化    摘? 要：碳化硅（SiC）器件具有低导通压降、可高速开关、可高温工作等优点，在车用电机驱动方面显示出巨大的技术优势和市场潜力。论述了SiC MOSFET器件实现高频、高温性能的难点，分别综述了模块、测试、电容、EMI滤波器、系统集成等方面的技术重点和主要研究方向，介绍了提升电机驱动产品性能的关键。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2022年第22卷第3期 pp. 030101

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10 kV SiC GTO器件特性研究* 程 琳;罗佳敏;龚存昊;张有润;唐 毅;门富媛;都小利 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.0302 摘要 （843）      PDF （2169KB）（298）    可视化    摘 ?要：基于第三代宽禁带半导体材料4H-SiC的超高压门极可关断晶闸管（Gate Turn-Off Thyristor, GTO）器件，在双向载流子注入和电导调制效应的作用下，器件在耐高压的同时获得高通态电流，在功率密度和可靠性等方面可以满足超大功率应用的要求。考虑到正向阻断电压、正向导通压降和脉冲电路下的开启时间等，提出了10 kV 4H-SiC GTO器件，借助Silvaco TCAD仿真工具研究了GTO器件的正向导通特性、正向阻断特性、动态开关特性和脉冲放电特性，得出了其正向导通压降为4.605 V，正向阻断电压为14.78 kV，开启时间为55 ns，关断时间为13.3 ns。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2022年第22卷第3期 pp. 030102

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4H-SiC功率MOSFET可靠性研究进展* 白志强, 张玉明, 汤晓燕, 沈应喆, 徐会源 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.0412 摘要 （1406）      PDF （2373KB）（790）    可视化    4H-SiC功率MOSFET器件具有栅极驱动电路简单、开关时间短、功率密度大、转换效率高等优良特性，在电力电子系统中有着广泛的应用前景。但该器件在可靠性方面仍存在一些问题，如长期工作时的可靠性和动态工作中一些极端情况下的可靠性问题。针对器件的长期可靠性问题，阐述了长期可靠性的表征方法，栅介质制备工艺对长期可靠性的影响和长期可靠性机理研究的相关成果。在动态可靠性方面，对雪崩测试、短路测试和浪涌测试的实验现象和失效机制分析进行了综述。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2022年第22卷第4期 pp. 040101

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超高压碳化硅N沟道IGBT器件的设计与制造* 杨晓磊;李士颜;赵志飞;李 赟;黄润华;柏松 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.0413 摘要 （745）      PDF （2175KB）（507）    可视化    自主设计和制备了一种耐压超过20 kV的超高压碳化硅（SiC）N沟道绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）器件。通过仿真设计优化了器件结构，同时结合自支撑衬底剥离技术、背面激光退火技术以及载流子寿命提升技术，成功在N型碳化硅衬底上制备了碳化硅N沟道IGBT器件。测试结果表明，该器件阻断电压为20.08 kV时，漏电流为50 μA。当栅电极施加20 V电压、集电极电流为20 A时，器件的导通电压为6.0 V，此时器件的微分比导通电阻为27 mΩ·m2。该值仅为15 kV碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）比导通电阻的1/7，充分显示出碳化硅N沟道IGBT器件作为双极型器件在高阻断电压、高导通电流密度等方面的突出优势。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2022年第22卷第4期 pp. 040102

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碳化硅器件封装进展综述及展望* 杜泽晨;张一杰;张文婷;安运来;唐新灵;杜玉杰;杨霏;吴军民 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.0502 摘要 （1321）      PDF （2320KB）（713）    可视化    碳化硅禁带宽、临界击穿场强大、热导率高，具有高压、高温、高频等优点。应用于硅基器件的传统封装方式寄生电感参数较大，难以匹配碳化硅器件的快速开关特性，同时在高温工况下封装可靠性大幅降低，为充分发挥碳化硅器件的优势需要改进现有的封装技术。针对上述挑战，对国内外现有的低寄生电感封装方式进行了总结。分析了现有的高温封装技术，结合新能源电力系统的发展趋势，对SiC器件封装技术进行归纳和展望。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2022年第22卷第5期 pp. 050102

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SiC功率器件辐照诱生缺陷实验研究进展* 杨治美;高旭;李芸;黄铭敏;马瑶;龚敏 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.0501 摘要 （653）      PDF （2040KB）（469）    可视化    第三代宽禁带半导体碳化硅（Silicon Carbide, SiC）功率器件在航天、航空和核工业等强辐射领域的极端环境下应用时，会受到辐照损伤的影响诱生缺陷，最终导致器件性能退化或者失效。简要介绍了SiC功率器件辐照效应发展历程和辐照效应，梳理轻离（粒）子辐照诱生缺陷与敏感参数退化的实验规律，分析总结重离子辐照SiC功率器件中一些关键技术问题，特别是不同温度辐照诱生缺陷形成机理的异同，为今后深入开展SiC肖特基二极管（Schottky Barrier Diode，SBD）的辐照诱生缺陷、器件性能退化研究及SiC相关器件的材料抗辐照性能的改善和结构优化提供实验数据和理论依据。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2022年第22卷第5期 pp. 050101

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SiC功率器件辐照效应研究进展 刘超铭;王雅宁;魏轶聃;王天琦;齐春华;张延清;马国亮;刘国柱;魏敬和;霍明学 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.0605 摘要 （1310）      PDF （3784KB）（659）    可视化    SiC功率器件是许多航天器用电子设备的重要组成部分，是保障深空探测任务顺利进行的前提和基础。在梳理SiC功率器件发展概况的同时，针对不同SiC功率器件（SiC SBD、SiC JBS、SiC MOSFET）在空间辐射环境下的性能退化规律进行了概述，重点分析了辐射环境下SiC功率器件的损伤机理，为SiC功率器件抗辐射性能工艺的长远发展提供了参考。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2022年第22卷第6期 pp. 060101

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轨道交通碳化硅器件研究进展 李诚瞻, 周才能, 秦光远, 宋瓘, 陈喜明 DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.0606 摘要 （893）      PDF （5286KB）（327）    可视化    随着轨道交通硅基功率器件性能逐渐逼近理论极限，碳化硅功率器件成为重点研究方向，以满足轨道交通系统对高功率密度、低损耗和高可靠性等要求。综述了轨道交通领域碳化硅MOSFET和SBD的芯片、混合碳化硅模块和全碳化硅模块的发展概况，并展望了碳化硅芯片和模块的技术发展趋势。介绍了碳化硅MOSFET芯片向沟槽栅、集成SBD和提升可靠性和迁移率等方向发展的趋势。全碳化硅器件、低杂散电感结构、低热阻基板和高可靠性烧结层的研究对碳化硅模块的发展至关重要。 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价 2022年第22卷第6期 pp. 060102

邓小川，电子科技大学教授，博士生导师，一直从事宽禁带半导体碳化硅功率器件理论、模型、新结构和可靠性研究，在碳化硅功率器件领域主持承担了国家科技重大专项、国家重点研发计划、挑战计划项目、国家自然科学基金重点/面上项目等国家级、省部级和横向课题30余项；在半导体器件领域顶级期刊IEEE Trans on Power Electronics、IEEE Electron Device Letter、IEEE Trans Industrial Electronics、IEEE Trans Electron Device以及本领域顶级会议ISPSD、ICSCRM等国际学术会议上发表论文80余篇；授权中国发明专利10余项，获得北京市科技发明二等奖。










王  俊，湖南大学电气与信息工程学院教授，博士生导师，长期从事功率半导体器件及其应用的研究。IEEE高级会员，IEEE JESTPE和IET Power Electronics期刊编委，发表SCI论文48篇，拥有3项授权美国发明专利、1项日本发明专利、18项中国专利。主持和承担了多个国家级、省部级和横向课题，和国内多家科研单位和企业联合开展了技术开发和项目合作，一些功率半导体及应用技术发明已实现产业化应用。