SiC肖特基二極管調(diào)查報(bào)告解析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上SiC結(jié)勢壘肖特基二極管總結(jié)報(bào)告何東（B） 肖凡（B） 于佳琪（B）一、SiC JBS器件的發(fā)展現(xiàn)狀1. 寬禁帶半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢當(dāng)前，隨著微電子器件向低功耗、高耐壓、高可靠性方向的發(fā)展，對(duì)半導(dǎo)體材料的要求也逐漸提高。微電子器件越來越多的應(yīng)用在高溫、高輻照、高頻和大功率等特殊環(huán)境。為了滿足微電子器件在耐高溫和抗輻照等領(lǐng)域的應(yīng)用，需要研發(fā)新的半導(dǎo)體材料，從而最大限度地提高微電子器件性能。傳統(tǒng)的硅器件和砷化鎵器件限制了裝置和系統(tǒng)性能的提高。以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體材料，由于材料本身的寬禁帶寬度和高臨界擊穿電場等優(yōu)點(diǎn)成為制作耐高溫、高功率和抗輻

2、照等電子器件的理想的半導(dǎo)體材料1。目前研究的SiC基器件有高溫和功率SiC器件、微波和高頻SiC器件、SiC光電器件、抗輻照器件等2。SiC材料的臨界擊穿場強(qiáng)是Si材料的10倍，SiC的禁帶寬度和熱導(dǎo)率均是Si材料的3倍，本征載流子的濃度也只有硅材料的十分之一。這些優(yōu)異的物理特性使SiC材料制成的半導(dǎo)體功率器件在高頻、高溫、大功率及高輻照等環(huán)境下有很高的優(yōu)勢。SiC在不同的環(huán)境下能形成不同的晶體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在常用的有3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC三種晶體結(jié)構(gòu)。4H-SiC材料以其較高的禁帶寬度和空穴遷移率，較低的本征載流子濃度成為制造半導(dǎo)體器件的主流材料3-4。具備以上優(yōu)異的物理特性的4

3、H-SiC材料主要有以下應(yīng)用：（1）利用其優(yōu)異的熱導(dǎo)率特性，在器件封裝及溫度方面的要求低，4H-SiC器件適合應(yīng)用在衛(wèi)星、航空和航天探測、石油以及地?zé)徙@井探測、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等需要耐高溫的環(huán)境中。（2）利用其寬禁帶寬度和高化學(xué)穩(wěn)定性，在高頻和抗輻照等領(lǐng)域，4H-SiC器件具有不可替代的作用，因?yàn)樗梢缘钟鶑?qiáng)大的射線輻射，在核戰(zhàn)或強(qiáng)電磁干擾中的耐受能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅基器件。（3）利用其高的飽和速度和臨界擊穿場強(qiáng)，4H-SiC是110 GHz范圍的大功率微波放大器的理想應(yīng)用材料，高頻和微波4H-SiC器件在軍用雷達(dá)、通信和廣播電視等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。（4）由于SiC晶體與GaN晶體的熱膨脹系數(shù)和晶格

4、相匹配，以及SiC材料具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率，4H-SiC材料也成為制造發(fā)光二級(jí)管和激光二極管的理想襯底材料，成為制造光電器件的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料之一。2. 4H-SiC JBS器件的研究現(xiàn)狀碳化硅二極管是功率半導(dǎo)體器件的重要組成部分，目前研究的重點(diǎn)是PiN二極管，肖特基勢壘二極管（SBD，schottky barrier diode）和結(jié)勢壘肖特基二極管（JBS，junction barrier schottky diode）。肖特基二極管的主要優(yōu)勢是開關(guān)速度快，反向恢復(fù)電流幾乎為零，其性能不受正向電流與溫度的影響。加反向偏置電壓時(shí)，由于隧道效應(yīng)導(dǎo)致的反向漏電流增大使肖特基二極管的阻斷電壓受到限制，這很

5、大程度上制約了其在高壓中的應(yīng)用。相比于肖特基二極管，PiN二極管的優(yōu)點(diǎn)在于擊穿電壓高、反向漏電流小，因而在高壓低頻功率開關(guān)中得到廣泛應(yīng)用。在高工作頻率下，PiN二極管的長的反向恢復(fù)時(shí)間導(dǎo)致反向恢復(fù)時(shí)能量損耗比較大，限制了其開關(guān)速度。結(jié)勢壘控制肖特基二極管是在普通的肖特基二極管的漂移區(qū)集成多個(gè)網(wǎng)狀的PN結(jié)。在正向偏置時(shí)，因?yàn)樾ぬ鼗鶆輭镜?，肖特基二極管首先進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，起主要作用，隨著正向電壓的增大，PN結(jié)導(dǎo)通，有源區(qū)的少數(shù)載流子注入到漂移區(qū)，由于少子注入產(chǎn)生的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)對(duì)器件的導(dǎo)通壓降進(jìn)一步改善；反向偏置時(shí)，PN結(jié)在高反壓下耗盡區(qū)向溝道區(qū)擴(kuò)展，當(dāng)反向電壓達(dá)到某個(gè)數(shù)值時(shí)，耗盡層交疊并向N-外延層

6、延伸，此時(shí)肖特基勢壘被屏蔽在高電場之外，抑制了肖特基勢壘的降低，有效改善了反向漏電流的增大。結(jié)勢壘肖特基二極管結(jié)合了肖特基二極管優(yōu)良的開關(guān)特性和PiN二極管的高阻斷特性，成為制作大電流、高反壓、開關(guān)速度快、抗浪涌電流強(qiáng)的功率整流管5-6。所以，SiC材料以其優(yōu)良的性能與結(jié)勢壘控制肖特基二極管的優(yōu)勢相結(jié)合是當(dāng)今功率開關(guān)二極管的發(fā)展趨勢。SiC JBS在高壓、高溫、高速等領(lǐng)域表現(xiàn)出來的巨大潛力引起了廣泛的關(guān)注，近年來科研工作者對(duì)SiC JBS或MPS器件進(jìn)行了大量的研究。不同系列的SBD和JBS產(chǎn)品也相繼推出。在器件的電學(xué)特性和工藝制作方面，Katsunori Asano等人研制了4H-SiC 作

7、為襯底材料的JBS器件，通過改善有源區(qū)的面積提高了器件的反向耐壓能力和減小了器件的反向漏電流，器件的最高耐壓可達(dá)3.9 kV，特征導(dǎo)通電阻為40.2mcm2，反向恢復(fù)時(shí)間9.7ns。2000年，K. Tone等人采用MJTE的結(jié)終端技術(shù)制作的MPS器件，在常溫至250條件下對(duì)MPS器件進(jìn)行測試，結(jié)果表明其具有類似于SBD的正向?qū)ㄌ匦院皖愃朴赑iN二極管的反向漏電流特性。2002年，J.H.Zhao等人成功研制了1500V/9A和1000V/50A的4H-SiC JBS器件。2003年，Zhiyun Luo等人首次研究了質(zhì)子輻照對(duì)高壓4H-SiC JBS器件靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的影響，通過和Si P

8、iN二極管進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，在高濃度質(zhì)子輻照下，4H-SiC JBS器件的抗輻照能力比Si PiN二極管強(qiáng)。2005年，Lin Zhu等人研制的一種新型的具有橫向溝道的4H-SiC LC-JBS器件，器件耐壓超過1 kV，具有較高的開關(guān)速度和類似于PiN二極管的反向漏電流，正向?qū)▔航档陀?.8V，開關(guān)電流比達(dá)到109以上，結(jié)電容也比普通JBS結(jié)構(gòu)減小了50%。2006年Lin Zhu等人在退火時(shí)在表面淀積一層AlN，能有效降低高溫導(dǎo)致的表面缺陷，有效降低了JBS器件的導(dǎo)通壓降和反向漏電流，特征導(dǎo)通電阻為40.2mcm2。2008年Lin Zhu等人又開發(fā)了一個(gè)新的分析高壓下4H-SiC J

9、BS整流特性的模型，采用Fowler-Nordheim隧穿方程來精確地計(jì)算高壓下JBS器件的反向漏電流。這種模式已經(jīng)得到了驗(yàn)證，通過比較仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具有很好的一致性7-9。2008年，Brett A. Hull等人研制的面積為0.88 cm2的4H-SiC JBS器件，室溫下，正向電流為10A時(shí)，導(dǎo)通壓降低于3.5V，在反向偏壓為10 kV時(shí)，反向漏電流低于10µA。同年，P.Brosselard等人對(duì)1.2 kV的Si PiN 二極管、4H-SiC SBD器件和4H-SiC JBS器件進(jìn)行了溫度特性的研究與比較。Si PiN 二極管在溫度為200時(shí)由于反向電流的增大而失效；室溫

10、下4H-SiC SBD器件的正向特性較好，在300的溫度下4H-SiC JBS器件的正向特性較好；4H-SiC JBS器件的反向漏電流在三者中最?。浑S著溫度的變化，4H-SiC SBD器件的反向恢復(fù)特性穩(wěn)定性較好，4H-SiC JBS器件的反向恢復(fù)時(shí)間有一定的浮動(dòng)變化。由此可知對(duì)器件參數(shù)的設(shè)定取決于系統(tǒng)的需求，比如操作溫度，額定電流等10。2009年，Song Qing-Wen等人提出了一種新的分析MPS反向特性的模型，通過求解圓柱形泊松方程和利用WKB近似的方法，在肖特基接觸區(qū)建立了新的電場分布模型和反向電流密度模型。利用模型計(jì)算出的結(jié)果和通過ISE仿真出的結(jié)果具有很好的一致性，證實(shí)了，隧道

11、電流是器件在高偏壓下的反向漏電流的主要組成部分。同年，Kazuhiro Mochizuki 等人利用monte Carlo模型計(jì)算了Al離子橫向擴(kuò)散引起的缺陷對(duì)4H-SiC JBS器件正向電流密度和正向?qū)▔航档挠绊?，同時(shí)也討論了Al離子橫向擴(kuò)散引起的缺陷對(duì)漂移層的表面區(qū)域的電子遷移率的退化產(chǎn)生的影響11。隨著微電子技術(shù)向高集成度、低功耗方向發(fā)展，減小功率器件的尺寸和降低器件功耗是微電子發(fā)展的趨勢。Zhang Yimen等人報(bào)道的具有浮動(dòng)型埋層結(jié)構(gòu)的4H-SiC JBS器件和普通JBS結(jié)構(gòu)對(duì)比，擊穿耐壓提高了44%，功率損耗降低了47%。在同等耐壓的條件下，器件的尺寸也比普通結(jié)構(gòu)減小了19%。

12、由于金屬層下的SiO2中有正電荷聚集，使該處的耗盡層減薄，邊緣效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆?，漏電流增大?010年，Ants Koel等人采用P+擴(kuò)散保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，使電場集中的現(xiàn)象得到緩和，在同等尺寸下，和普通4H-SiC JBS器件性能相比，提高了器件的反向耐壓能力和減小了反向漏電流密度，降低了器件功率損耗。2011年，Chen Feng-Ping等人研制的利用斜場板和保護(hù)環(huán)優(yōu)化電場的4H-SiC JBS器件，溝槽深度為3µm時(shí)，器件的特征導(dǎo)通電阻為8.3mcm2。開啟電壓為0.65V，反向偏置電壓為500V時(shí)，反向電流密度小于1A/cm2，反向恢復(fù)時(shí)間為80ns，反向峰值電流為28.

13、1mA。器件在75至200溫度測試下，其反向阻斷性能有較好的穩(wěn)定性12-13。功率二極管浪涌電流應(yīng)力下的可靠性檢測是至關(guān)重要的。2012年，Xing Huang等人對(duì)SiC SBD和SiC JBS二極管浪涌應(yīng)力下的可靠性進(jìn)行了研究，浪涌的脈沖寬度選擇為8.3ms。提取了單個(gè)浪涌的峰值功率大約限制在450W/mm2，脈沖能量為1.4J/mm2。重復(fù)浪涌應(yīng)力下，Al金屬的電子遷移可引起引線鍵合或邊緣終止，從而導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障斷開。在浪涌電流為34.9A/ mm2，兩個(gè)SBD器件可以重復(fù)浪涌應(yīng)力測試10000次而不損壞。隨著不同的參數(shù)設(shè)計(jì)，JBS的導(dǎo)通壓降不同，從而導(dǎo)致它的抗浪涌強(qiáng)度不同。JBS的導(dǎo)

14、通壓降為3V時(shí)，浪涌電流超過20A/ mm2時(shí)器件損壞，而在此電流下測試的SBD器件卻是安全的，這是因?yàn)檩^高的少數(shù)載流子注入從而導(dǎo)致比常規(guī)肖特基二極管抗浪涌弱14。在器件的電路及封裝應(yīng)用方面，2002年，Ranbir Singh等人報(bào)道了兩種1500V/4A和1410V/20A的4H-SiC JBS器件，二維模擬仿真結(jié)果顯示溝槽間隔為4µm時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的開/關(guān)特性，在100-200 kHz范圍內(nèi)的DC /DC轉(zhuǎn)換器的效率比Si基JBS器件提高了3-6。由于其反向恢復(fù)時(shí)間和損耗幾乎為零，在硬切換斬波器的應(yīng)用中，可以有效降低器件的開啟損耗和反向恢復(fù)損耗；MOSFET作為主要的開/關(guān)器件時(shí)

15、，器件的開啟損耗和反向恢復(fù)損耗降低了60%；4H-SiC JBS器件在軟開關(guān)斬波器中作輔助二極管使用時(shí)，可有效避免輔助支路關(guān)斷所引起的電壓峰值，同時(shí)也減小了應(yīng)用系統(tǒng)的尺寸及降低了器件的功率損耗15-16。2011年，Hesam Mirzaee等人研究比較了應(yīng)用在高功率中壓三電平轉(zhuǎn)換器中的6.5 kV的Si-IGBT/Si-PIN二極管，6.5 kV的Si-IGBT/SiC-JBS二極管和10 kV的SiC-MOSFET/SiC-JBS的二極管。三種不同的二極管的電源模塊的電路模型是基于精確地器件管芯的SPICE電路模型，包括封裝的寄生電感。選擇1MW三電平轉(zhuǎn)換器，利用包括對(duì)稱/非對(duì)稱寄生電感的

16、SPICE電路模型觀察三種二極管在1kHz，5kHz和10kHz開關(guān)頻率下的開關(guān)電路脈沖波形和測量切換功率和能量損耗。結(jié)果表明，6.5kV的Si-IGBT結(jié)合SiC-JBS反并聯(lián)二極管具有超過5kHz的高效率，10kV的SiC-MOSFET/SiC-JBS二極管仍然可應(yīng)用于具有較高的開關(guān)頻率的高功率轉(zhuǎn)換器。微電子封裝在推動(dòng)更高性能、更低功耗、更低成本和更小形狀因子的產(chǎn)品上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在芯片-封裝協(xié)同設(shè)計(jì)以及滿足各種可靠性要求而使用具有成本效益的材料和工藝方面，還存在很多挑戰(zhàn)。為滿足當(dāng)前需求并使用設(shè)備高產(chǎn)量大產(chǎn)能的能力，還需要在技術(shù)和制造方面進(jìn)行眾多的創(chuàng)新研究。2012年，V. Ban

17、u等人研究了各種封裝技術(shù)的SiC肖特基二極管的功率循環(huán)能力的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，為了便于分析，采用基礎(chǔ)設(shè)備上的自加熱和專用的工作臺(tái)，功率循環(huán)能力的SiC肖特基二極管的封裝使用不同的互連技術(shù)（鋁楔鍵合，金絲球鍵合和壓裝）。研究目的在于獲得在能夠在超過300的溫度下正常使用的碳化硅器件。耐壓600V和1200V的JBS/MPS器件已經(jīng)在Cree和英飛凌等公司產(chǎn)業(yè)化，美國的Cree公司已經(jīng)可以提供1200V/50A的JBS/MPS二極管單芯片和封裝產(chǎn)品17。JBS/MPS器件為單極型器件，反向恢復(fù)時(shí)間幾乎為零，有效減少了二極管反向恢復(fù)導(dǎo)致的損耗和相關(guān)的IGBT開通瞬態(tài)損耗，在開關(guān)頻率較高的電路中得到廣泛應(yīng)

18、用。國內(nèi)的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的研究起步較晚，材料和器件制作水平和國外相比還有較大差距。但是在國家973和863國家重大基礎(chǔ)項(xiàng)目研究的支持下，促進(jìn)了國內(nèi)的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的研究和制備。西安電子科技大學(xué)、山東大學(xué)和電子科技大學(xué)等高等院校側(cè)重于半導(dǎo)體材料及器件的理論及模擬研究。中國電子科技集團(tuán)55所、46所、13所、中科院微電子所等側(cè)重于材料及器件的制備。在SiC結(jié)構(gòu)器件設(shè)計(jì)方面，葉毅等人提出了一種新型4H-SiC陽極凹槽D-RESURF肖特基二極管結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)和普通RESURF結(jié)構(gòu)相比，反向擊穿電壓從890V提高到1672V，導(dǎo)通電流為80mA/mm時(shí)，正向?qū)▔航祻?.4V降低到

19、2.8V。南雅公等人為了增強(qiáng)器件高溫條件下的適應(yīng)性，對(duì)4H-SiC具有雙層浮結(jié)結(jié)構(gòu)的肖特基二極管溫度特性進(jìn)行了研究。張海鵬等人提出了一種溝槽P型PN結(jié)肖特基勢壘復(fù)合4H-SiC二極管（TP JBS）與普通的JBS二極管相比具有更低的通態(tài)電阻，更低的反向漏電流，更低的靜態(tài)功率損耗，更適合在高功率低功耗的電力電子系統(tǒng)中的應(yīng)用。陳剛等人采用場板和邊緣終端技術(shù)的大電流Ni/4H-SiC SBD二極管，理想因子為1.03，勢壘高度為1.6eV，反向偏置電壓1102V時(shí)，漏電流密度只有1.15×10-3A/cm2，在正向壓降3.5V時(shí)得到了7.47A的大電流輸出，特征導(dǎo)通電阻為6.22mcm2。

20、2004年，西安電子科技大學(xué)王守國對(duì)離子注入制備4H-SiC器件及其溫度特性研究。2010年，湖南大學(xué)張發(fā)生對(duì)4H-SiC同質(zhì)外延薄膜及其高電壓肖特基二極管器件研究。2011年，西安電子科技大學(xué)黃健華對(duì)高壓4H-SiC 結(jié)勢壘肖特基二極管進(jìn)行了研究。2012年，蘭州大學(xué)王一帆設(shè)計(jì)和制備了10A/300V、400V JBS二極管18。在材料和器件的制備方面，北京大學(xué)微電子學(xué)研究院研制的深槽Ni (Pt) Si/Si肖特基二極管可以大幅度提高反向擊穿電壓，在外延層濃度為5e15cm-3時(shí)，深槽器件的擊穿電壓可以達(dá)到80V，比保護(hù)環(huán)器件高約30V。2009年，石家莊第十三研究所專用集成電路國家重點(diǎn)實(shí)

21、驗(yàn)室測試了4H-SiC SBD和JBS在250600的區(qū)間內(nèi)退火后的正反向特性。研究了不同退火溫度對(duì)這兩種期間的正向開啟電壓、理想因子和反向阻斷電壓的影響，為4H-SiC SBD和JBS在實(shí)際生產(chǎn)中提供了較理想的理論依據(jù)。2010年，南京電子器件研究所單片集成電路和模塊國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的耐250高溫的1200V-5A 4H-SiC JBS二極管和IXYS公司的600V Si快恢復(fù)二極管進(jìn)行了對(duì)比：室溫動(dòng)態(tài)開關(guān)測試中，反向恢復(fù)的功率損耗比Si快恢復(fù)二極管節(jié)省了92%。這是國內(nèi)首次報(bào)道的250高溫下正常工作的SiC JBS二極管。2011年，南京電子器件研究所又在76.2 mm 4H-SiC

22、晶圓上采用厚外延技術(shù)和器件制作工藝研制的4H-SiC JBS二極管，室溫下，反向耐壓達(dá)到2700V。正向開啟電壓為0.8V，在正向壓降2V時(shí)正向電流密度為122A/cm2，比導(dǎo)通電阻為8.8mcm2。近年來，中電13所，55所等研制的600V1200V的SiC SBD試樣品，為SiC器件的發(fā)展和應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前由于SiC功率半導(dǎo)體器件表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，特別是SiC SBD，SiC JBS等器件表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)特性及其制作工藝研究的比較成熟。針對(duì)國內(nèi)SiC功率半導(dǎo)體器件研究水平，應(yīng)優(yōu)先大力發(fā)展SiC整流器，從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和耐壓機(jī)理分析入手，一方面是對(duì)已有器件繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，使其能滿足軍事

23、和商業(yè)化應(yīng)用；另一方面繼續(xù)開發(fā)更低導(dǎo)通壓降，更小芯片面積和更高工作溫度的器件，加快國內(nèi)SiC整流器實(shí)用化進(jìn)程。二、4H-SiC JBS器件結(jié)構(gòu)和工作原理4H-SiC 結(jié)勢壘肖特基二極管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在普通的4H-SiC 肖特基二極管的漂移區(qū)集成多個(gè)網(wǎng)狀的PN結(jié)柵，4H-SiC JBS 的工作原理如下：圖1 4H-SiC 結(jié)勢壘控制肖特基二極管示意圖圖2 4H-SiC PiN、SBD和MPS正向特性比較1、加正向偏置電壓時(shí)，由于肖特基勢壘低，肖特基二極管首先導(dǎo)通，隨著反向偏置電壓的增大，PN結(jié)二極管導(dǎo)通，有源區(qū)的少數(shù)載流子注入到漂移區(qū)，產(chǎn)生的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)進(jìn)一步降低了4H-SiC JBS 器件

24、的正向?qū)▔航?。在較小的正向偏置電壓下，其正向?qū)ㄌ匦灶愃朴谛ぬ鼗O管的正向?qū)ㄌ匦?，只是由于P+區(qū)的存在，正向電流密度會(huì)減小。2、加反向偏置電壓時(shí)，PN結(jié)形成的耗盡區(qū)向溝道區(qū)擴(kuò)展，當(dāng)反向偏置電壓達(dá)到某一個(gè)電壓值時(shí)，肖特基勢壘下的耗盡層就會(huì)相連在一起。當(dāng)耗盡層交疊以后, 導(dǎo)電溝道被夾斷，就會(huì)在溝道區(qū)形成一個(gè)勢壘，耗盡層隨著反向偏置電壓的增加而向溝道下方擴(kuò)展，所增加的反向電壓將會(huì)由耗盡層來支撐。這個(gè)勢壘把肖特基勢壘屏蔽在高電場之外，有效地抑制了肖特基勢壘降低效應(yīng)，使反向漏電流大幅度減小，這和普通的肖特基二極管明顯不同。穿通條件一旦建立，除了由于空間電荷區(qū)產(chǎn)生而引起的反向漏電流微小增加外，反向漏

25、電流的大小基本保持不變。3、4H-SiC JBS器件在較大的正向偏置電壓下，PN結(jié)二極管導(dǎo)通，PN結(jié)的少數(shù)載流子注入到漂移區(qū)，產(chǎn)生的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)提高了器件的復(fù)合率和注入比，此時(shí)P+區(qū)貯存的載流子濃度減小降低了4H-SiC JBS器件的反向恢復(fù)電流和縮短了反向恢復(fù)時(shí)間。通過對(duì)上述4H-SiC JBS器件工作原理的分析，由于對(duì)4H-SiC JBS器件應(yīng)用需求的側(cè)重點(diǎn)不同，所以選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，側(cè)重點(diǎn)不同：（1）通過調(diào)節(jié)有源區(qū)和肖特基接觸的寬度比來調(diào)節(jié)4H-SiC JBS器件的性能，增大肖特基接觸的寬度可提高器件的正向?qū)ㄌ匦?，但是反向耐壓能力減弱；增大有源區(qū)的寬度可提高器件的反向耐壓能力，但是正向?qū)?/p>

26、通特性減弱，所以需根據(jù)實(shí)際需求來調(diào)節(jié)兩者的寬度比；（2）通過調(diào)節(jié)有源區(qū)和肖特基接觸的寬度比來折中器件的反向耐壓和正向?qū)ㄌ匦裕?H-SiC JBS器件在選擇肖特基接觸金屬時(shí)比肖特基二極管更加靈活；（3）較大的有源區(qū)深度可以更有效的降低4H-SiC JBS器件的表面電場強(qiáng)度，但是高摻雜離子的注入對(duì)4H-SiC JBS器件表面的損傷也越大，較低摻雜離子注入可以減弱半導(dǎo)體表面的損傷，提高器件的耐壓能力就必須要耗盡層落在N-外延層，就必須提高有源區(qū)的摻雜濃度，所以在選擇有源區(qū)的深度時(shí)也需要折中考慮；（4）較大的N-外延層厚度和較小的摻雜濃度能提高4H-SiC JBS器件的反向耐壓能力，但會(huì)引起4H-S

27、iC JBS器件串聯(lián)電阻的增大，導(dǎo)致正向?qū)ㄌ匦詼p弱；反之提高了器件的正向?qū)ㄌ匦?，減弱了器件的反向耐壓能力，所以在選擇N-外延層的厚度和摻雜濃度大小時(shí)，要權(quán)衡電子器件的實(shí)際需要來設(shè)計(jì)參數(shù)；（5）在實(shí)際的4H-SiC JBS器件結(jié)的邊緣具有電場集中效應(yīng)，降低了器件的反向耐壓能力，所以為了緩解電場集中，使器件的反向耐壓能力更接近于平行平面結(jié)的理想值，需要對(duì)器件的邊緣終端進(jìn)行優(yōu)化。三、4H-SiC JBS器件的電參數(shù)特性圖3 4H-SiC JBS器件正向伏安特性曲線1. 正向?qū)ㄌ匦栽谡蚱秒妷合拢?H-SiC JBS 器件的肖特基接觸區(qū)域首先導(dǎo)通，隨著電壓的增加，PN結(jié)導(dǎo)通，其正向?qū)▔航档谋?/p>

28、達(dá)式如下所示： （1）式中，JF,JBS表示4H-SiC JBS器件的正向電流密度，JFS表示通過4H-SiC JBS器件肖特基接觸區(qū)域的電流密度，Ron,JBS表示4H-SiC JBS器件導(dǎo)通電阻，B，n，k，T，q分別為肖特基勢壘高度、理想因子、玻爾茲曼常數(shù)、絕對(duì)溫度、單個(gè)電子電荷量。2. 反向截止特性肖特基二極管的反向阻斷特性較差，是受肖特基勢壘變低的影響。為了獲得高擊穿電壓，漂移區(qū)的摻雜濃度很低，因此勢壘形成并不求助于減小PN結(jié)之間的間距。調(diào)整肖特基間距獲得與PiN擊穿電壓接近的JBS，但是JBS的高溫漏電流大于PiN，這是來源于肖特基區(qū)。JBS反向偏置時(shí)，PN結(jié)形成的耗盡區(qū)將會(huì)向溝道

29、區(qū)擴(kuò)散和交疊，從而在溝道區(qū)形成一個(gè)勢壘，使耗盡層隨著反向偏壓的增加向襯底擴(kuò)展。這個(gè)耗盡層將肖特基界面屏蔽于高場之外，避免了肖特基勢壘降低效應(yīng)，使反向漏電流密度大幅度減小。此時(shí)JBS類似于PiN管。反向漏電流的組成主要由兩部分：一是來自肖特基勢壘的注入；二是耗盡層產(chǎn)生電流和擴(kuò)散電流。利用熱電子發(fā)射理論，JBS的反向漏電流的表達(dá)式如下： （2）3. 二次擊穿產(chǎn)生二次擊穿的原因主要是半導(dǎo)體材料的晶格缺陷和管內(nèi)結(jié)面不均勻等引起的。二次擊穿的產(chǎn)生過程是：半導(dǎo)體結(jié)面上一些薄弱點(diǎn)電流密度的增加，導(dǎo)致這些薄弱點(diǎn)上的溫度增加引起這些薄弱點(diǎn)上的電流密度越來越大，溫度也越來越高，如此惡性循環(huán)引起過熱點(diǎn)半導(dǎo)體材料的晶

30、體熔化。此時(shí)在兩電極之間形成較低阻的電流通道，電流密度驟增，導(dǎo)致肖特基二極管還未達(dá)到擊穿電壓值就已經(jīng)損壞。因此二次擊穿是不可逆的，是破壞性的。流經(jīng)二極管的平均電流并未達(dá)到二次擊穿的擊穿電壓值，但是功率二極管還是會(huì)產(chǎn)生二次擊穿。為了對(duì)上述情況進(jìn)行合理的解釋，電流集中理論和雪崩注入理論得到廣為采納。（1）電流集中功率二極管內(nèi)部由于薄弱點(diǎn)的電流驟增是產(chǎn)生二次擊穿的主要原因。某些薄弱點(diǎn)的功耗達(dá)到了誘發(fā)功耗，導(dǎo)致局部電流驟增引起過熱點(diǎn)，此時(shí)局部產(chǎn)生熱擊穿或電流擊穿使功率二極管永久損壞。導(dǎo)致電流在局部驟增的原因可能是半導(dǎo)體材料的晶格缺陷和工藝制作導(dǎo)致的擴(kuò)散引起的不均勻性造成的。（2）雪崩注入在反向偏置條件

31、下，隨著反向偏置電壓的增加引起空間電荷區(qū)電場強(qiáng)度在不斷增加，倍增因子增加，此時(shí)反向漏電流就會(huì)趨向于無窮大，而產(chǎn)生一次擊穿，此后反向漏電流進(jìn)一步增加，在高電場下引起雪崩注入，導(dǎo)致功率二極管的二次擊穿，這種二次擊穿的延遲時(shí)間極短。四、4H-SiC JBS器件存在的主要問題JBS目前的困難在于p型碳化硅的歐姆接觸較難形成，因?yàn)橛秒x子注入法對(duì)碳化硅進(jìn)行p型摻雜需要很高的退火溫度，在碳化硅中很難形成p+區(qū)。采用Baliga提出的凹槽肖特基勢壘二極管(TSBS) 結(jié)構(gòu)可以獲得與JBS類似的效果，卻可避免p型摻雜。在碳化硅外延層的表面和表層凹槽的表面分別用功函數(shù)不同的兩種金屬形成高低不同的肖特基勢

32、壘。低勢壘接觸在表面，高勢壘接觸在凹槽表面，后者為前者起削弱反向電場的作用。實(shí)驗(yàn)表明，如果這兩種接觸的勢壘高度以及臺(tái)面寬度和凹槽深度搭配得當(dāng)，器件的反向漏電流可以大大降低。目前，對(duì)大功率碳化硅肖特基勢壘二極管的研究開發(fā)已達(dá)到小面積（直徑0.5 mm以下）器件的反向阻斷電壓超過4000 V，大面積（直徑超過1 mm）器件也能達(dá)到1000 V左右的水平。例如，在2001年已有140A/800V 4H-SiC JBS的報(bào)導(dǎo)。在同年的另一報(bào)導(dǎo)中，反向電壓高達(dá)1200V的4H-SiC肖特基勢壘二極管已做到直徑3mm，其正向電流密度高達(dá)300&#

33、160;Acm-2，而相應(yīng)的正向壓降只有2V。五、4H-SiC JBS器件最新成果1. 大容量、小型化2008 年報(bào)道了10 kV/10 A 的4H-SiC JBS 二極管，該器件的n-區(qū)厚120 m， 摻雜濃度為6. 0 × 1014 /cm3，采用了900 m寬的硼注入結(jié)終端技術(shù)，Al 注入在陽極區(qū)形成格柵pn 結(jié)勢壘。8. 3 mm × 10 mm的器件在10 A正向電流時(shí)，正向壓降小于3. 5 V; 從常溫到200 具有正溫度系數(shù)的電阻性能和穩(wěn)定的肖特基勢壘高度，10 kV關(guān)斷電壓的反向漏電在全溫度范圍小于10 A。從正向電流10 A到反向關(guān)斷電壓3 kV，以dI

34、/dt 為30 A/s進(jìn)行開關(guān)，其反向恢復(fù)時(shí)間和反向恢復(fù)電荷分別為320 ns和425 nC; 且在25 175 內(nèi)接近常數(shù)。同年報(bào)道了商用的SiC JBS 所用的襯底已由3 英寸圓片轉(zhuǎn)向4 英寸圓片，最大電流達(dá)50 A，正在開發(fā)的更大工作電流器件有1. 2 kV/75 A和1. 2 kV/100 A兩種，芯片面積分別為6 mm × 8 mm和6. 8 mm ×10 mm。100 A器件的正向壓降為1. 77 V，反向漏電在1. 33 kV關(guān)斷電壓時(shí)為250 A。同時(shí)研發(fā)了10 kV/20 A的SiC JBS，20 A 器件的正向壓降為3. 1 V，反向漏電在10 kV關(guān)斷

35、電壓時(shí)為80 A。2. 模塊化4H-SiC 二極管和Si IGBT 可組成電力電子開關(guān)混合模塊，在功耗、工作頻率和可靠性等性能比全Si 開關(guān)模塊有大幅提高。這種電力電子開關(guān)混合模塊已進(jìn)行了55 kW三相逆變器的應(yīng)用試驗(yàn)，混合模塊中采用600 V/600 A Si IGBT 作三相逆變器的開關(guān)管，用六個(gè)600 V/75 A的SiC SBD 代替三個(gè)600 V/150 A的Si p-n 二極管。在感性負(fù)載試驗(yàn)中，混合模塊的損耗比全Si 模塊減少33. 6%，在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，混合模塊的平均損耗比全Si 模塊減少10. 6% 11. 2%。試驗(yàn)表明混合模塊逆變器工作在47kW峰值功率時(shí)，效率大于90%。

36、2011 年報(bào)道了混合模塊在100 kW宇航用矩陣轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用試驗(yàn)，全Si 模塊采用1 700 V/600 A IGBT 和Si快恢復(fù)二極管，混合模塊采用1 700 V/ 50A IGBT和1 200 V/50 A SiC 二極管芯片。矩陣轉(zhuǎn)換器用于80 kW負(fù)載的永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，SiC 混合模塊比全Si 模塊在12. 5 kHz 頻率時(shí)的開關(guān)效率提高7. 8% 達(dá)94. 7%，而且能工作到19 kHz的更高頻率，相應(yīng)的效率達(dá)93%。同年也報(bào)道了SiC 和Si 二極管在半橋模塊應(yīng)用中的能耗分析，在全Si 和混合模塊所用Si IGBT 相同( 1 200 V/ 100 A )

37、， 二極管分別為Si 二極管( 1 200 V/ 100 A ) 和兩個(gè)SiC SBD ( 1 200 V/40 A) 。兩種模塊在600 V和790 A/s開關(guān)比較試驗(yàn)結(jié)果表明: SiC 二極管最大反向恢復(fù)電流減少了60%，相應(yīng)減少損耗58%; IGBT 開關(guān)損耗減少了25%，IGBT 總損耗減少15%; 混合模塊的整個(gè)損耗減少了22%。2010 年報(bào)道了3kV SiC JBS 混合模塊應(yīng)用于牽引逆變器，3 kV/200 A的兩種模塊由Si IGBT 和Si p-n 二極管( 工作電流100 A/cm2 )以及SiC JBS 二極管( 密度為120 A/cm2 ) 分別構(gòu)成。試驗(yàn)結(jié)果表明，S

38、iC 混合模塊和全Si 模塊相比，導(dǎo)通損耗減少到1 /7，反向恢復(fù)損耗減少到1 /10。預(yù)計(jì)變換器和逆變器的總損耗下降30%，該逆變器成功用于火車的牽引電機(jī)。目前由于SiC功率半導(dǎo)體器件表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，特別是SiC SBD，SiC JBS等器件表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)特性及其制作工藝研究的比較成熟。針對(duì)國內(nèi)SiC功率半導(dǎo)體器件研究水平，應(yīng)優(yōu)先大力發(fā)展SiC整流器，從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和耐壓機(jī)理分析入手，一方面是對(duì)已有器件繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，使其能滿足軍事和商業(yè)化應(yīng)用；另一方面繼續(xù)開發(fā)更低導(dǎo)通壓降，更小芯片面積和更高工作溫度的器件，加快國內(nèi)SiC整流器實(shí)用化進(jìn)程。參考文獻(xiàn)1 Munish Vashishath,

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