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取代Si SiC十年后将引发电网变革

行业上下游中国仪表网2014年07月10日 16:16人气:5109

  导读:日本京都大学工学研究科教授木本恒畅等人的FIRST项目研究的是能够实现更高耐压的PiN二极管及IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等SiC(碳化硅)双极性器件。通过将这些高耐压器件应用于变电站、变频站、高压直流输电、医疗用加速器高压电源、高速铁道车辆等,有望降低电力损耗以及实现设备的小型化。预计十年后,SiC双极器件产品将会为半导体领域带来新的变革。



日本京都大学工学研究科教授木本恒畅

  日本京都大学工学研究科教授木本恒畅在2014年7月4日召开的“新一代功率半导体的冲击:SiC从下一代走向现代”尖端技术论坛上,以“超高电压应用SiC功率器件的发展”为题发表了演讲,绍了日本学术振兴会的最尖端研究开发项目的成果。
  
  SiC作为取代Si的功率器件备受期待,在高耐压领域尤其被看好。在600V~6000V耐压领域,瞄准混合动力车及铁道车辆用途的开发日益活跃,这一耐压下的应用需求,目前可通过肖特基势垒二极管(SBD)及MOSFET等SiC单极性器件满足。
  
  而木本教授等人的FIRST项目研究的是能够实现更高耐压的PiN二极管及IGBT等SiC双极性器件。通过将这些高耐压器件应用于变电站、变频站、高压直流输电、医疗用加速器高压电源、高速铁道车辆等,有望降低电力损耗以及实现设备的小型化。另外,在将来的电网中,通过采用更高耐压的电子开关,还可实现电网与可再生能源、分布式电源、电动车组之间的联动,以及故障时的瞬间断电等远程操作。
  
  FIRST项目的目标并非立即使此类器件实现实用化,而是要推动全球最尖端研究,在10年以后达到实用水平。具体来说,该项目在2009~2013年度对超过10kV的双极器件以及可实现该器件的超高速外延生长等展开了研究。
  
  研究目标共有5项:(1)13kV-20A级SiCPiN二极管、(2)13kV-20A级SiCIGBT、(3)5kV-20A级250℃开关操作、(4)能实现这些技术的膜厚及多层外延生长、(5)支持这些技术的学术性基础研究。研发方面设定了三个子课题:(1)SiC的缺陷、物性控制以及器件基础、(2)超厚膜及多层SiC外延晶圆技术、(3)工艺及超高耐压SiC器件技术。
  
  获得的成果为,在高速厚膜外延生长和缺陷降低方面,实现了外延生长层厚度达到了100μm以上、受主密度达到1014cm-3的掺杂控制技术;降低了基面位错(BPD),使BPD密度降至0.1cm-2以下;利用碳注入及热氧化等手段,使载流子寿命大幅提高20μs以上。
  
  凭借这些技术,木本教授等人成功试制出了耐压13kV的40A级PiN二极管以及耐压16kV的30A级IGBT。该IGBT在栅极形成方面,采用了离子注入与外延膜生长组合的IE构造。已通过实验证实,使用这些器件以及新开发的高温高耐压密封材料,在250℃下实施5kV开关操作时,可实现20A以上、2μs的开关工作。
  
  木本教授在演讲的最后说道:“这些技术并非立即就能投入实用,而十年后,以这些技术为基础的SiC双极器件非常值得期待。”
(本文来源:日经电子转载请注明出处
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