30 A 4H-SiC肖特基二極管作為IGBT續(xù)流二極管的研究

1、30 A 4H-SiC肖特基二極管作為IGBT續(xù)流二極管的研究第3O卷第2期2010年6月固體電子學研究與進展RESEARCH&PROGRESSOFSSEVo1.30,No.2Jun.,2010600V一30A4HSiC肖特基二極管作為IGBT續(xù)流二極管的研究李宇柱倪煒江李哲洋李賈陳辰陳效建(南京電子器件研究所,單片集成電路和模塊國家級重點實驗室,南京,210016)2010一Ol一15收稿,20100223收改稿摘要:采用碳化硅外延和器件工藝制造了碳化硅肖特基(SBD)二極管,耐壓超過600V.正向壓降為1.6V時,器件電流達到30A.作為IGBT續(xù)流二極管,600V碳化硅肖

2、特基二極管和國際整流器公司的600V超快恢復二極管(Ultrafastdiode)進行了對比:125IGBT模塊動態(tài)開關測試中,碳化硅二極管的反向恢復能耗比硅二極管節(jié)省9O%,相應的IGBT開通能耗節(jié)省3o.另外反向恢復中過電壓從4O降為10,這是由于碳化硅的軟度高,提高了模塊的可靠性.關鍵詞:4H碳化硅;肖特基二極管;快恢復二極管;軟度中圖分類號:TN31l.8;TN304.054文獻標識碼:A文章編號:10003819(2Oio)0229205600V-30A4H-SiCSBDUsedasFreewheelingDiodeforIGBTModuleIIYuzhuNIWeijiangLIZh

3、eyangLIYunCHENChenCHENXiaojian(NationalKeyLaboratoryofMonolithicIntegratedCircuitsandModules,NmoingElectronicDevicesInstitute,Nanjing,210016,CHN)Abstract:The600V4HSiCSchottkyBarrierDlode(SBD)wasdesignedandfabricatedbased011inhouseSiCepitaxyanddevicetechnology.TheSiCSBDwaspackagedtogetherwithtotalcur

4、rentof30Aandforwardvoltagedropof1.6V.AsafreewheelingdiodefortheSiIGBT(switchingmeasurementsweredoneat125C),the600VSiCSBDwascomparedtothe600VultrafastdiodefromInternationa1RectifierCo.TheSiCdiodeachieved90recoverylOSSreductiontheandcorrespondingIGBTshowed309/6lowerturnonloss.Alsothevoltagespikewasred

5、ucedfrom40%to1OduetohighsoftnessoftheSiCSBD.Keywords:4HSiC;SBDdiode;ultrafastdiode;softnessEEACC:2520M;2530D;2550;2560H引言用于工業(yè)控制的逆變器電路中,續(xù)流二極管(Freewheelingdiode)越來越表現出舉足輕重的作用.硅PiN二極管經歷了標準二極管,快恢復二極?聯(lián)系作者:Email:micronedil63.corn管和超快二極管等多個產品技術世代,在外延材料,器件結構和工藝開發(fā)上精益求精,努力追求各種性能的平衡,已經發(fā)展到了極致.然而當功率系統(tǒng)發(fā)展到更高功率密度和更

6、高頻率時,對續(xù)流二極管的要求也將隨之而提高.肖特基二極管是單極器件(Unipolardevice),2期李字柱等:600V一30A4HSiC肖特基二極管作為IGBT續(xù)流二極管的研究293沒有少數載流子,因此不但反向恢復快而且軟度好.但是硅肖特基二極管的擊穿電壓很低,只能用在100V以下的低壓電路中.碳化硅(4HSiC)材料具有高功率密度,耐高溫等優(yōu)良特性,給肖特基續(xù)流二極管新的未來,目前已經有10kV的高壓碳化硅肖特基二極管的報道j.國外碳化硅肖特基二極管已經產業(yè)化,英飛凌,Cree等廠家可以提供600v/1200V,22OA的碳化硅肖特基二極管,其主要市場為高頻開關電源(SMPS)和功率因數

7、校正電路(PFC)等.但是碳化硅SBD作為續(xù)流二極管的應用報道不多.國內有一些碳化硅肖特基二極管的研究報道,但是電流較小.文中利用自主技術,完成了外延材料制備和600V30A器件制造,并測試了碳化硅肖特基二極管作為IGBT續(xù)流二極管的動態(tài)特性.1器件器件外延生長在EPIGRESS公司的VP508外延爐中進行.其典型外延溫度在1550Cl600C之間,生長壓力為5O150mbar,H作為稀釋氣體及載氣,高純氮氣作為N型摻雜源,Sill和C.H.作為生長源,使用射頻電源加熱,基座采用氣浮旋轉技術以提高外延濃度厚度均勻性.外延生長溫度設定為1570C.7el5,8p.m,drilllayerle18

8、,1gm,bufferlayer4HSiCNsubstrate圖l碳化硅SBD的外延結構圖Fig.14HSiCSBDepilayerdesign圖1是典型的碳化硅SBD的外延結構圖.襯底采用偏向<112O>方向8.的導通型4HSiC單晶,引入1btm,摻雜濃度lel8的緩沖層是為減小N襯底和漂移層之間由于摻雜濃度差異而帶來的應力.漂移層的厚度為8tim,而VP508外延爐的典型生長速率為4um/h,這意味著如果采用常規(guī)工藝生長8tim的漂移層需要連續(xù)進行2h生長,這樣不僅增加了生長過程中的資源的消耗,也會使薄膜的表面質量降低.通過對外延工藝條件的優(yōu)化,調整溫度,溫度

9、梯度和反應室壓力對體系中硅組分濃度的影響,通過加大硅烷流量將生長速率提高至12tim/h.由圖2可以看出,生長的外延片表面光滑平整.圖2生長的外延薄膜表面原子力圖像Fig.2AFMpictureof4H-SiCepiwafer器件工藝主要包括如下步驟:4HSiC外延片經過清洗后,形成光刻標記;光刻形成結終端圖形后,通過Al離子注入形成邊緣結終端口.器件鈍化采用200nm的PECVDSiO2層;背面濺射100nm的Ni層,并進行1000C的真空退火,以形成良好的背面歐姆接觸.正面肖特基接觸采用濺射的Ti/Au金屬層,厚度為200nrn/300nm.完成的器件橫截面示意圖如圖3所示.Schottk

10、ycontactOhmiccontact圖3碳化硅SBD的橫截面示意圖Fig.3Schematiccrosssectionviewof4HSiCSBD碳化硅SBD的一特性測試使用的設備是Tektronix371半導體參數分析儀.封裝的總芯片面積達8.75mm.其正向和反向特性如圖4所示.由圖可以計算出,正向壓降為1.6V時,二極管正向電流已經達到3OA,其導通電阻為2.6mt-I?cm.在600V時,反向漏電流密度小于0.1mA?cm.2和硅超快二極管的比較芯片封裝后,測試了碳化硅肖特基二極管作為294固體電子學研究與進展3O卷v|(a)vl(b)圖4室溫下碳化硅SBD的正向(a)和反向(b)

11、,一曲線Fig.4SiCSBDforward(a)andreverse(b)I-Vcurveatroomtemperaturef'J1116一?./,f7CH2?t?:?-'=.',(a)IGBT續(xù)流二極管的動態(tài)特性.以下給出600V一30A的碳化硅二極管和國際整流器公司的硅超快二極管(產品代碼:IRGP3OB6oKD)的比較.需要說明的是,因為電力電子器件工作時自發(fā)熱較多,額定工作結溫一般在125C,所以以下測試都是在結溫125下進行的.2.1硅IGBT開通特性圖5所示為和不同續(xù)流二極管搭配時,600VSiIGBT的開通特性比較,圖5(a)為600Vsi超快二極管,圖

12、5(b)為600VSiCSBD.從圖中可以看出,SiCSBDSiIGBT混合模塊比全硅模塊有著更低的尖峰電流(Peakcurrent),電壓在下降的過程中的振蕩減小,電流的上升恢復的過程振蕩干擾減小,同時減小了器件的開通損耗.表1是600V模塊在Ic一35A的開通參數,可以看出使用SiCSBD續(xù)流二極管對IGBT的開通延遲時間和上升時間并沒有影響,而在開通損耗和尖峰電流值方面混合模塊降低了3O.CH】¨'/L,一!CH2,f.:.(b)圖5使用不同續(xù)流二極管時,600VSiIGBT的開通特性比較:(a)Si超快二極管;(b)SiCSBD(測試條件:Vcc一400V;Ic=35

13、A;VGE一15V;Rg=27n;Rg=27Q;Ti一125CH1:Ic一15A/div;CH2:Vcc一100V/div;timebase=200ns/div)Fig.5ComparisonofSiIGBTturnoncharacteristicswithdifferentfreewheelingdiodes:(a)Siultrafastdiode;(b)SiCSBD(Testcondition:Vcc=400V;Ic一35A;VGE:15V;Rg=27Q;Rg=27Q;Ti=125CH1:Ic一15A/div;CH2:Vcc=100V/div;timebase=200ns/div)表1使用

14、不同續(xù)流二極管時,600VSiIGBT的開通特性比較Tab.1ComparisonofIGBTturnoncharacteristicsusingdifferentfreewheelingdiodes2期李字柱等:600V一30A4HSiC肖特基二極管作為IGBT續(xù)流二極管的研究2952.2二極管反向恢復特性圖6是二極管的反向恢復特性波形,碳化硅SBD二極管沒有少數載流子,因此反向恢復電流很小,軟度大為提高.從波形和數據中(表2)可以看出碳化硅SBD二極管的峰值電流()比硅超快二極管減少了65%,反向恢復時間f減少了51,反向恢復電荷Q減少了9O.值得注意的是,由于碳化硅二極管的軟度比硅二極管

15、高,所以電壓尖峰從560V下降到440V,過電壓從160V(40%過電壓)下降為4OV(10%過電壓),提高了模塊的可靠性.表2硅和碳化硅二極管的反向恢復特性比較Tab.2ComparisonofreverserecoveryofSiandSiCdiodesCH:一CH1Jl,|JCH2CH1.A,(a)(b)圖6二極管反向恢復過程:(a)Si超快二極管;(B)SiCSBD(測試條件:Vcc一400V;Ic一一35A;GE=15V;R一27n;T=125CCHI:Ic=i5A/div;CH2:Vcc=200V/div;timebase一100ns/div)Fig.6Diodereversere

16、covery:(a)Siultrafastdiode;(b)SiCSBD(Testcondition:Vcc一400V;Ic=一35A;VGE:15V;尺g一271"1;T】一125CH1:Ic一15A/div;CH2:Vcc一200V/div;timebase100ns/div)2.3模塊動態(tài)總能耗,管作IGBT流二fi:圖7所示是IGBT模塊的動態(tài)能耗比較.由圖可能耗基本不變,續(xù)流二極管反向恢復能耗減少了90%.暑三.呂衛(wèi)圖7IGBT模塊的開關能耗比較(測試條件cc=400V;Ic=35A;Rg一27Q;Ti一125C)圖7IGBTmoduleswitchinglosscompa

17、rison(measuredatVcc=400V;Ic一35A;Rg一27Q;Tj=125)3結論利用水平熱壁式CVD系統(tǒng),自主研發(fā)了76.2mm8m厚度的4HSiCn型外延層.設計并制造出了8.75mill.大小的4HSiC肖特基勢壘二極管,正向壓降為1.6V時,二極管正向電流已經達到30A,其導通電阻為2.6mr2?crn.在600V時,反向漏電流密度小于0.1mA?cm_.比較了國際整流器公司的硅超快二極管和碳化硅SBD在IGBT模塊中作為續(xù)流二極管的特性.碳化硅二極管對IGBT模塊的關斷能耗沒有大的影響,但是降低了約3O%的開O987654321O296固體電子學研究與進展3O卷通能耗

18、,同時降低了30的尖峰電流.碳化硅SBD二極管反向恢復能耗比硅超快二極管降低了90,而且碳化硅二極管的軟度大為提高,因此過電壓從4O降為1O%,提高了模塊的可靠性.1i-23參考文獻ZhaoJ,AlexandrovP,LiX.Demonstrationofthefirst10kV4HSiCSchottkybarrierdiodes口.IEEEElectronDeviceLett,2003,24:402404.李贅,李哲洋,董遜,等.生長源流量對SiC外延生長的影響J.半導體技術,2008,33卷(增刊):266268.Wu,FursinL,LiY,eta1.4308V,20.9mohmcm24

19、HSiCMPSdiodesbasedona30"mdriftLayerJMaterialsScienceForum,2004,457:l1091112.李字柱(LIYuzhu)男,漢族,1975年生,1999年9月畢業(yè)于北京清華大學電子系微電子專業(yè),獲學士學位,2008年1月畢業(yè)于美國Rutgers大學電子系微電子專業(yè),獲博士學位,讀博士期間研究內容為碳化硅電力電子器件工藝開發(fā).現在南京電子器件研究所單片集成電路和模塊國家級重點實驗室工作,主要從事碳化硅電力電子器件和工藝技術的研究.征稿啟事固體電子學研究與進展是全國性學術期刊,向國內外公開發(fā)行.辦刊宗旨是面向21世紀固體物理和微電子

20、學領域的創(chuàng)新性研究.征稿主要范圍是:無機和有機固體物理,硅微電子學,射頻器件和微波集成電路,微機電系統(tǒng)(MEMS),納米技術,固體光電和電光轉換器件,有機發(fā)光器件(OLED)和有機微電子技術,寬禁帶半導體以及各種固體電子器件等方面的創(chuàng)新性科學技術報告和論文,來稿采用A4幅面,控制在6頁以內.建議作者同時介紹一下論文的工作背景,原創(chuàng)性,先進性和指導意義,并給出作者的聯(lián)系信息(郵寄地址,電話,Email).本刊已被中國新聞出版總署列人中國期刊方陣,且為中文核心期刊并進人多個國內外數據庫,根據相關的國家標準與數據庫的人編要求,作者投稿時請注意下列事項:(1)標題:中文標題控制在2O個漢字以內,英文標題最多為400個字符;(2)摘要:學術論文,研究報告的摘要應寫明研究目的,方法,新的結果和結論.綜述,評論性文章的摘要應簡要說明論文內容的要點.摘要中不要使用多余的詞語,盡量減少背景信息,工作意義,不希望出現公式,矩陣.英文摘要的長度不超