第三代宽禁带半导体(SiC)器件在空间太阳能电站中的应用及进展①

0 引言

空间太阳能发电站(SSPS，Space Solar Power Station)，是一种在太空将太阳光转化为电能的超大型发电系统，具有高效、环保等特点，是未来一种极其重要的能源获取方式。建造空间太阳能电站的构想由美国科学家Peter Glaser博士于1968年提出[1]。

国际上在空间太阳能电站领域开展的研究工作已经持续了40多年，目前多个国家和组织已提出了几十种概念方案，包括1979参考系统、太阳塔、太阳盘、集成对称二次聚光系统、分布式绳系电站、太阳帆塔、微波激光混合式电站、任意相控阵SPS、多旋转关节SPS、OMEGA型SPS等，这些概念方案大致可以分为非聚光式和聚光式两大类型，其中非聚光式又可以根据供电的形式分为集中式供电方式和分布式供电方式[2-6]，最为主要的几种典型的空间太阳能电站概念方案示意图见图1。

空间太阳能电站概念提出以后，美国、日本、欧洲、中国等多个国家和地区对于此开展了深入的研究工作，并且已经列入各国的航天发展规划中，先后发表了题为《太阳能发电卫星白皮书》、《太空发电站——第一次国际评估：机遇、问题以及可能的前进路线》的研究报告[7-8]。

空间太阳能电站主要包括三大部分：太阳能发电装置、能量转换和发射装置、地面接收和转换装置。太阳能发电装置将太阳能转化成为电能。能量转换装置将电能转换成微波或激光(一般考虑采用微波)，并利用发射装置向地面发送波束。地面接收系统接收空间传输的波束，通过转换装置将其转换成为电能接入电网[9-10]。整个过程实际上是一个能量转换过程，在这个转换过程中所涉及的材料及其性能至关重要，由于空间环境的特殊性(辐照强度大)及大功率、轻量化、高可靠的系统要求，这就对半导体器件提出了新的要求，而第三代宽禁带半导体(SiC)器件以其特有的大功率、耐高温、抗恶劣环境、抗辐照等特性，很好地满足了这一要求。

  

(a)1979参考系统 (b)分布式绳系系统

  

(c)任意相控阵系统 (d)二次聚光系统

  

(e)多旋转关节系统 (f)太阳帆塔系统

 

图1 典型空间太阳能电站概念方案

 

Fig.1 Typical SSPS concepts

1 宽禁带半导体器件应用及发展

碳化硅(SiC)是一种发展较为成熟的半导体材料，以其良好的物理和电学性能成为继Si和GaAs之后第三代宽禁带半导体材料。SiC具有宽带隙、高击穿场强、高热导率等优点，满足现代电子技术对高温抗辐射和高频大功率的要求。与传统硅器件相比，具有明显优势，见表1。

由表1可见：(1)SiC材料不同的结晶形态决定其禁带宽度的不同，但均大于Si和GaAs的禁带宽度，大大降低了SiC器件的漏电流，以及SiC的耐高温特性，使得SiC器件在高温电子工作方面具有独特的优势；(2)SiC 3倍于Si的热导率使它具有优良的散热性，有助于提高器件的功率密度和集成度；(3)SiC具有很高的临界击穿电场，它大约是Si材料的10倍，用它作成的器件可以很大地提高耐压容量、工作频率和电流密度，也大大降低了器件的导通损耗；(4)SiC 2倍于Si的电子饱和漂移速度使SiC器件具有优良的微波特性，可以很大地改善通信、雷达系统的性能，而且SiC器件的高温高功率特性使它能够满足在航空航天、国防安全等特殊环境的工作需要；(5)SiC材料的高硬度和高化学稳定性使它具有极高的耐磨性，可以在很恶劣的环境下工作[11]。

1.1 SiC MOSFET

功率MOSFET的依据工艺及结构不同分为：积累沟道MOS场效应晶体管(ACCUFET-ACCU mulation channel Field Effect Transistor)，U型槽栅MOS场效应晶体管(UMOSFET trench gate MOSFET)，双注入MOS场效应晶体管(DIMOSFET-Double-Implanted MOSFET)，静电感应积累型FET(SIAFET-Static Induction injected Accumulated FET)，减小的表面电场MOS场效应晶体管(RESURF MOSFET-Reduced Surface Field MOSFET)，以及三注入功率MOSFET(Triple implanted MOSFET)等等。

大勇，你快带人走，这里由我们几个兄弟断后，快走，不然一个也跑不掉。老机八指挥着他的几个兄弟们四散开去，一边推着陈大勇。

 

表1 SiC材料主要性能

 

Table 1 The major properties of SiC

  

材料SiGaAs3C-SiC6H-SiC4H-SiC禁带宽度Eg/eV1.121.422.22.93.2热导率/[W/(K·cm)]1.50.544.94.94.9相对介电常数11.912.5109.79.7电子饱和漂移速度/(cm/s)1072×1072×1072.5×1072.5×107击穿场强/(V/cm)3×1054×1051^5×1061^5×1061^5×106熔点/K16901510>2100>2100>2100莫式硬度7<6.25999

2015年，NASA NEPP Electronic Technology Workshop试验结果表明，SiC器件有较好的抗总剂量辐照能力，但是抗单粒子辐照能力较差。典型的单粒子试验后退化情况，如图4所示[22-23]。

1994年，Palmour J W等研制了第一个功率UMOSFET，即纵向槽栅MOSFET(UMOSFET)。但是UMOSFET有两个缺点：(1)SiC漂移区较高的电场导致栅氧化层中电场很高。这个问题在槽拐角处更严重，在高漏压下造成栅氧化层迅速击穿，最大工作电压限制在小于理想击穿电压的400/60。(2)沿着槽侧壁反型沟道中载流子迁移率很低，这样就导致高的比导通电阻，使SiC低漂移区电阻的优势发挥不出来。为了解决以上问题，Li Y等首次报道了具有槽氧化层保护和结终端扩展(JTE：iunction termination extension)的4H-SiC纵向UMOSFETS，其阻断电压可达3360 V，比导通电阻为199 mΩ·m2，品质因数VB2/Rsp为77 MW/cm2[12]。

近年来，在SiC器件研究方面，国内也取得了长足的进步，中国电子集团6.5 kV DMOSFET典型曲线如图2所示。

1.2 SiC MESFET

近年来，国内外在4H-SiC MESFET器件研制方面取得了可喜的成果。随着4H-SiC MESFET理论和工艺研究的深入，4H-SiC MESFET近几年在前沿理论研究、提高性能指标和商品化三个方面都取得了很快的进展。表2列出了各研究机构或生产厂商报道的部分4H-SiC MESFET研究成果，表3是美国CREE 公司的一些SiC产品的技术参数[15]。

  

(a)6.5 kV时JD和Vds的关系

  

(b)不同Vgs时JD和Vds的关系

 

图 2 SiC典型参数曲线

 

Fig.2 The parameters of SiC

从以上数据可发现，实用型产品的工作频率正朝着更高的方向发展。但实用型4H-SiC MESFET的一些参数指标与理论值还存在不小的差距，这主要是由于目前SiC在材料生长、器件工艺、设计制造等方面还不够完善，阻碍了SiC器件和电路的发展。要充分发挥SiC材料和器件的巨大潜力和优势，除了提高工艺水平(如减小衬底中的微管和缺陷，提高接触质量和平面工艺等)之外，在理论上必须对宽禁带半导体的器件机理和模型进行深入细致的研究，以获得最佳的设计方案，缩短材料和器件的研制和实验周期，为大规模器件和电路的设计和生产提供必要的数据。

4H-SiC MESFET除了具备高频大功率的特点，并能在高温和辐射条件下正常工作以及附带体积较小的散热配件等优点外，在应用方面还具有以下优势：(1)线性化程度较理想；(2)在大静态工作电压下，其输出阻抗远大于Si或GaAs器件，预匹配过程简化了很多，并且SiC MESFET大功率器件不需要内匹配，而外匹配比起GaAs MESFET 要简单的多，大大降低了制造成本；(3)匹配网络简化，降低设计成本。

 

表2 4H-SiC MESFET部分研究成果

 

Table 2 The part of this research project of 4H-SiC MESFET

  

时间研究机构主要技术指标PAE/%PoutOPF/GHz1994Cree Research Inc.392.8 W/mm3.51995Myong Ji University4735 dB81997Northrop Grumman Electronic System Advanced M&SD Technology Center, USA526.35 W101997Phoenix Corporate Research Lab.65.7—0.851999Cree Research Inc.3780 CW3.01999IRCOM Lab. Limoges University France34.80.8 W1.82000Cree Inc.412.5 W/cm82000Cree Inc.—30 W9.72004.6Northrop Grumman Electronic System Advanced M&SD Technology Center, USA6020 WS-Band2005.5Rockwell Scientific Company>5056 WL-Band

 

表3 Cree公司最新产品的一些技术参数

 

Table 3 The parameters of Cree Inc. products

  

产品型号工作频率/GHz输出频率/W增益/dB效率/%工作电压/VCRF-050030.1^0.5>3>10—28CRF-200102>10>10>4048CRF-270102.4^2.7>10>9>4048CRF-370103.4^3.7>10>8.5>4048试验样品3.1>80>7.6>3858试验样品106.35(pW)——45

式中:ω为惯性权重;c1,c2为[0,2]区间的速度更新参数;r1j,r2j为[0,1]区间的随机数.

（3）中标后承包单位的转包问题：“转包”现象的存在是现今“豆腐渣工程”存在的一个根源。转包现象，使得一些资质不够，没有施工经验的企业，进入施工现场，为质量安全问题埋下隐患。

以美国Cree公司为代表的材料和器件制造商及大学等研究机构在SiC BJT的研发方面取得了巨大的进展。自从2001年报道击穿电压1.8 kV和比导通电阻10.8 mΩ·m2的器件以后，SiC BJT受到了越来越多的关注，其击穿电压和比导通电阻等关键指标见图3和表4。绝大多数报道的SiC BJT的电流增益在10～50之间，其击穿电压在600～5000 V之间。2007年，Rutegers研发出了导通电阻仅有2.9 mΩ·m2的SiC BJT，其击穿电压0.75 kV。最高击穿电压9.2 kV，导通电阻49 mΩ·m2的器件也已经被报道。2009年，日本本田技术研究所报道了100 A、1200 V的4H-SiC BJT，芯片尺寸为0.79×0.73 cm2，室温下电流放大率为135，导通电阻为3.5 mΩ·m2。在4 A的集电极电流(电流密度为100 A/cm2)测试条件下，通电后约100 h后会出现一些退化效应，但100 h之后趋于稳定，并已确认可正常工作1000 h。这是目前4H-SiC BJT公开报道研发的最高水平[16-20]。

1.3 SiC BJT

但4H-SiC MESFET也具有MESFET的一些缺点，主要是：(1)4H-SiC MESFET的衬底材料制备比较困难；(2)与GaN HEMT 和BJT 相比，增益相对较小，功率密度也比GaN小，其高频应用同样不及Ⅲ-Ⅴ族器件。

  

图3 SiC功率BJT的比导通电阻和击穿电压

 

Fig.3 The resistance and breakdown voltage of SiC BJT

 

表4 4H-SiC高压功率BJT性能对比

 

Table 4 The parameters of high power 4H-SiC BJT

  

器件VBD/kVRON/(mΩ·m2)(VB2/RON)/(MW/cm2)β研究单位BTJ1.810.830020CREEBTJ3.27813115PurdueBTJ1175932RutgersBTJ9.24917277RutgersBTJ1.137.63264KTHBTJ4562869RPIBTJ1616738CREEBTJ0.752.919418.8RutgersBTJ62812863RPIBTJ1.26.322970CREEBTJ1.25.227760KTHBTJ1.23.5411135HONDA

SiC BJT因其具有较低的导通损耗和高的开关速度在功率开关器件中具有很大的优势。与目前研究很火热的SiC MOSFET相比，SiC BJT避免了栅氧化层品质严重影响器件性能的问题，例如强电场下氧化层的击穿问题，界面态及沟道迁移率过低的问题等。

1.4 SiC抗辐照器件

传统Si基功率器件抗辐照性能较差，在太空环境中长期服役，如意发生总剂量或者单粒子失效。而高能粒子(如质子、中子等)辐照SiC晶格，将部分能量传递给晶格原子，导致晶格原子失配，形成缺陷，而这些缺陷会引入一系列的深能级，其中有些辐照生缺陷与SiC外延层中常见的一些本征晶格缺陷的电学特性一样，从而使SiC器件抗辐照性能较Si基器件有所提高。

小班幼儿对于图形的认识是整体而模糊的，他们虽然已经在现实生活中接触到了大量图形，但是他们仍然无法有效把握图形的特点。例如，很多幼儿会在二维图形与三维图形的识别上出现混淆，幼儿只能够把握图形的某个局部特征，却未能从整体角度对图形特点进行整合和理解。而当幼儿进入到大班阶段后，他们对于图形的整体认知能力将会逐渐产生，幼儿能够更加清晰地把握图形的典型特征及不同特征之间的联系，幼儿对于立体图形的把握也将变得更加准确。

2001年，David C Sheridan等报道了Ni、Ti、Mo/4H-SiC SBD的γ射线辐照效应，研究发现经过4Mrad的γ射线辐照后，三种肖特基接触都没有出现明显的退化。研究者较早就发现了3C-SiC MOS电容的抗辐射特性比Si MOS好。2001年，Takeshi Ohshima等比较了Si MOS电容、干氧氧化的6H-SiC MOS电容、热解氧化的6H-SiC MOS电容和在氢气中退火的热解氧化6H-SiC MOS电容的γ射线辐照后的退化情况。实验结果表明，6H-SiC MOS电容的抗辐射能力强于Si MOS电容。2002年，Nigam S等报道，4H-SiC SBD的40 MeV质子辐照效应，经过相当于暴露在近地轨道10年的辐照剂量后，器件的整流特性仅有轻微的下降，击穿电压从500 V下降为450 V。2004年，Luo Zhiyun等报道4H-SiC SBD和JBS的63 MeV质子辐照特性，经过5×1013 ion/cm2的辐照后，JBS的退化比SBD明显的多，研究发现JBS的退化幅度与JBS的保护环数目有关；2005年，NASA报道了Cree的商用整流管CSDl0120A、CSDl0060A和CSDl0030A的高能质子辐射特性，发现它们具有优良的抗质子辐射特性。经过2.5×1013 ion/cm2的20 MeV辐照后，器件的肖特基势垒高度没有变化[21]。

1996年，科学家成功研制了平面双注入DMOSFETS。1998年，Siemens报道的三注入DMOSFETS，得到了1800 V的阻断电压和46 mΩ·m2的导通电阻，品质因数VB2/Rsp达到了70 MW/cm2(Si功率MOSFETS的VB2/Rsp的理论最大值为4 MW/cm2)。2000年，Kansai Electric Power Company(KEPCO)和Cree Inc等研制了静电感应积累型FET。该器件的阻断电压为6.1 kV，比导通电阻为732 mΩ·m2，VB2/Rsp达到了51 MW/cm2。Matin M等用一种新的自对准工艺研制了短沟高压4H-SiC DMOSFETS，沟道长度若小于等于51 μm，显著减小了沟道电阻(9.95 mΩ·m2)，使其在器件的比导通电阻中不再起主要作用。Sei-Hyung Ryu等[13]报道的4H-SiC DiMOSFET，得到了1600 V的阻断电压和27 mΩ·m2的比导通电阻。1997年，Spitz J等[14]研制了SiC横向DMOSFET，其阻断电压高于那时候可利用的外延层厚度所能允许的电压2600 V，比当时的纵向器件大3倍。2004年，他们又用掺杂为8×1014 cm-3、85 μm厚的外延层研4H-SiC DMOSFET，得到了迄今为止最高的阻断电压(10 kV)和最高的品质因数VB2/Rsp(813 MW/cm2)。

  

图4 单粒子试验情况

 

Fig.4 The results of single particle test

目前的研究已经表明，SiC制成的多种器件都具有优越的抗辐射特性，可以在强辐射环境中长期应用。这一特性使SiC既可以用来制作抗辐射功率器件，适合于空间太阳能电站中能量传输及转换的电源模块和芯片。

仿真实验平台建设应切合自身情况，以提高实验教学质量为目的，坚持走自主研发道路。宜成立仿真实验协会，对仿真实验平台建设进行规范和监管。建设过程中，宜由主管部门牵头统筹资源，联合研发。建成后，宜交专业职能部门接管运营，提高共享服务能力和社会效益。

2 结束语

第三代宽禁带半导体材料SiC具有以下特点：

(1)SiC材料具有很高的临界击穿电场，使得SiC器件可以很大地提高耐压容量、工作频率和电流密度, 也大大降低了器件的导通损耗,提高了功率密度，实现轻量化、小型化的要求；

(2)SiC器件具有耐高温特性，使其在太空环境大温差情况下具有独特的优势；

2000年，Brisset C等报道了4H-SiC MESFET的γ射线辐照效应，比较发现采用半绝缘衬底的SiC MESFET的抗辐射特性优于导通型衬底的SiC MESFET；研究还表明在不同的栅极偏压下，辐照后器件阈值电压的变化不一样。

(3)SiC 3倍于Si的热导率使它具有优良的散热性，有助于提高器件的功率密度和集成度

在式(1)基础上，本文给出完全加权负项集支持度及正负关联规则(I1→I2， I1→﹁I2，﹁ I1→I2)置信度(all-weighted Association Rule Confidence,awARConf)的计算公式，如式(2)至(7)所示.

(4)SiC器件具有2～3倍于Si器件的禁带宽度，决定了SiC器件具有良好的抗总剂量及抗单粒子辐照性能，使得采用SiC器件的SSPS可以长期应用于恶劣的太空环境中；

首先，在小学语文教学的过程中，开展信息化教学能够有效激发学生的学习兴趣。小学生的年龄较小，对于新鲜事物会产生一定的好奇心理。因此，在具体的教学过程中，教师可以借助信息技术为学生提供多样化的教学资源，激发学生的学习欲望。

(5)SiC材料良好的电子饱和漂移速度使SiC器件具有优良的微波特性，可以很大的改善通信、雷达系统的性能，而且SiC器件的高温高功率特性使它能够满足在空间环境的工作需要。

以上这些特点使其很好满足了是未来空间太阳能电站(SSPS)能量转换和传输系统高效率、高功率质量比、长寿命、高可靠的要求。随着第三代宽禁带半导体材料SiC器件技术的进一步成熟和完善，未来将有更多的宇航系统会采用SiC器件，从为下一步空间太阳能电站(SSPS)的应用奠定了良好的基础。

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