SiC肖特基二極管調查報告解析

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上SiC結勢壘肖特基二極管總結報告何東（B） 肖凡（B） 于佳琪（B）一、SiC JBS器件的發(fā)展現(xiàn)狀1. 寬禁帶半導體材料的優(yōu)勢當前，隨著微電子器件向低功耗、高耐壓、高可靠性方向的發(fā)展，對半導體材料的要求也逐漸提高。微電子器件越來越多的應用在高溫、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域的應用，需要研發(fā)新的半導體材料，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是Si材料的10倍，SiC的禁帶寬度和熱導率均是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構，現(xiàn)在常用的有3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC三種晶體結構。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材料主要有以下應用：（1）利用其優(yōu)異的熱導率特性，在器件封裝及溫度方面的要求低，4H-SiC器件適合應用在衛(wèi)星、航空和航天探測、石油以及地熱鉆井探測、汽車發(fā)動機等需要耐高溫的環(huán)境中。（2）利用其寬禁帶寬度和高化學穩(wěn)定性，在高頻和抗輻照等領域，4H-SiC器件具有不可替代的作用，因為它可以抵御強大的射線輻射，在核戰(zhàn)或強電磁干擾中的耐受能力遠遠超過硅基器件。（3）利用其高的飽和速度和臨界擊穿場強，4H-SiC是110 GHz范圍的大功率微波放大器的理想應用材料，高頻和微波4H-SiC器件在軍用雷達、通信和廣播電視等領域具有很好的應用前景。（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)良的熱導率，4H-SiC材料也成為制造發(fā)光二級管和激光二極管的理想襯底材料，成為制造光電器件的關鍵基礎材料之一。2. 4H-SiC JBS器件的研究現(xiàn)狀碳化硅二極管是功率半導體器件的重要組成部分，目前研究的重點是PiN二極管，肖特基勢壘二極管（SBD，schottky barrier diode）和結勢壘肖特基二極管（JBS，junction barrier schottky diode）。肖特基二極管的主要優(yōu)勢是開關速度快，反向恢復電流幾乎為零，其性能不受正向電流與溫度的影響。加反向偏置電壓時，由于隧道效應導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用。相比于肖特基二極管，PiN二極管的優(yōu)點在于擊穿電壓高、反向漏電流小，因而在高壓低頻功率開關中得到廣泛應用。在高工作頻率下，PiN二極管的長的反向恢復時間導致反向恢復時能量損耗比較大，限制了其開關速度。結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)集成多個網(wǎng)狀的PN結。在正向偏置時，因為肖特基勢壘低，肖特基二極管首先進入導通狀態(tài)，起主要作用，隨著正向電壓的增大，PN結導通，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)生的電導調制效應對器件的導通壓降進一步改善；反向偏置時，PN結在高反壓下耗盡區(qū)向溝道區(qū)擴展，當反向電壓達到某個數(shù)值時，耗盡層交疊并向N-外延層

6、延伸，此時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。結勢壘肖特基二極管結合了肖特基二極管優(yōu)良的開關特性和PiN二極管的高阻斷特性，成為制作大電流、高反壓、開關速度快、抗浪涌電流強的功率整流管5-6。所以，SiC材料以其優(yōu)良的性能與結勢壘控制肖特基二極管的優(yōu)勢相結合是當今功率開關二極管的發(fā)展趨勢。SiC JBS在高壓、高溫、高速等領域表現(xiàn)出來的巨大潛力引起了廣泛的關注，近年來科研工作者對SiC JBS或MPS器件進行了大量的研究。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3.9 kV，特征導通電阻為40.2mcm2，反向恢復時間9.7ns。2000年，K. Tone等人采用MJTE的結終端技術制作的MPS器件，在常溫至250條件下對MPS器件進行測試，結果表明其具有類似于SBD的正向導通特性和類似于PiN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等人首次研究了質子輻照對高壓4H-SiC JBS器件靜態(tài)和動態(tài)性能的影響，通過和Si P

8、iN二極管進行對比，結果表明，在高濃度質子輻照下，4H-SiC JBS器件的抗輻照能力比Si PiN二極管強。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，具有較高的開關速度和類似于PiN二極管的反向漏電流，正向導通壓降低于1.8V，開關電流比達到109以上，結電容也比普通JBS結構減小了50%。2006年Lin Zhu等人在退火時在表面淀積一層AlN，能有效降低高溫導致的表面缺陷，有效降低了JBS器件的導通壓降和反向漏電流，特征導通電阻為40.2mcm2。2008年Lin Zhu等人又開發(fā)了一個新的分析高壓下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算高壓下JBS器件的反向漏電流。這種模式已經(jīng)得到了驗證，通過比較仿真和實驗結果，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，導通壓降低于3.5V，在反向偏壓為10 kV時，反向漏電流低于10µA。同年，P.Brosselard等人對1.2 kV的Si PiN 二極管、4H-SiC SBD器件和4H-SiC JBS器件進行了溫度特性的研究與比較。Si PiN 二極管在溫度為200時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小；隨著溫度的變化，4H-SiC SBD器件的反向恢復特性穩(wěn)定性較好，4H-SiC JBS器件的反向恢復時間有一定的浮動變化。由此可知對器件參數(shù)的設定取決于系統(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。利用模型計算出的結果和通過ISE仿真出的結果具有很好的一致性，證實了，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模型計算了Al離子橫向擴散引起的缺陷對4H-SiC JBS器件正向電流密度和正向導通壓降的影響，同時也討論了Al離子橫向擴散引起的缺陷對漂移層的表面區(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等人報道的具有浮動型埋層結構的4H-SiC JBS器件和普通JBS結構對比，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構減小了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，邊緣效應增強，導致?lián)舸╇妷合陆?，漏電流增大?010年，Ants Koel等人采用P+擴散保護環(huán)結構，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環(huán)優(yōu)化電場的4H-SiC JBS器件，溝槽深度為3µm時，器件的特征導通電阻為8.3mcm2。開啟電壓為0.65V，反向偏置電壓為500V時，反向電流密度小于1A/cm2，反向恢復時間為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力下的可靠性檢測是至關重要的。2012年，Xing Huang等人對SiC SBD和SiC JBS二極管浪涌應力下的可靠性進行了研究，浪涌的脈沖寬度選擇為8.3ms。提取了單個浪涌的峰值功率大約限制在450W/mm2，脈沖能量為1.4J/mm2。重復浪涌應力下，Al金屬的電子遷移可引起引線鍵合或邊緣終止，從而導致設備發(fā)生故障斷開。在浪涌電流為34.9A/ mm2，兩個SBD器件可以重復浪涌應力測試10000次而不損壞。隨著不同的參數(shù)設計，JBS的導通壓降不同，從而導致它的抗浪涌強度不同。JBS的導

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

15、，器件的開啟損耗和反向恢復損耗降低了60%；4H-SiC JBS器件在軟開關斬波器中作輔助二極管使用時，可有效避免輔助支路關斷所引起的電壓峰值，同時也減小了應用系統(tǒng)的尺寸及降低了器件的功率損耗15-16。2011年，Hesam Mirzaee等人研究比較了應用在高功率中壓三電平轉換器中的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三電平轉換器，利用包括對稱/非對稱寄生電感的

16、SPICE電路模型觀察三種二極管在1kHz，5kHz和10kHz開關頻率下的開關電路脈沖波形和測量切換功率和能量損耗。結果表明，6.5kV的Si-IGBT結合SiC-JBS反并聯(lián)二極管具有超過5kHz的高效率，10kV的SiC-MOSFET/SiC-JBS二極管仍然可應用于具有較高的開關頻率的高功率轉換器。微電子封裝在推動更高性能、更低功耗、更低成本和更小形狀因子的產(chǎn)品上發(fā)揮著至關重要的作用。在芯片-封裝協(xié)同設計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)。為滿足當前需求并使用設備高產(chǎn)量大產(chǎn)能的能力，還需要在技術和制造方面進行眾多的創(chuàng)新研究。2012年，V. Ban

17、u等人研究了各種封裝技術的SiC肖特基二極管的功率循環(huán)能力的實驗對比結果，為了便于分析，采用基礎設備上的自加熱和專用的工作臺，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（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，反向恢復時間幾乎為零，有效減少了二極管反向恢復導致的損耗和相關的IGBT開通瞬態(tài)損耗，在開關頻率較高的電路中得到廣泛應

18、用。國內的寬禁帶半導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國家重大基礎項目研究的支持下，促進了國內的寬禁帶半導體功率器件的研究和制備。西安電子科技大學、山東大學和電子科技大學等高等院校側重于半導體材料及器件的理論及模擬研究。中國電子科技集團55所、46所、13所、中科院微電子所等側重于材料及器件的制備。在SiC結構器件設計方面，葉毅等人提出了一種新型4H-SiC陽極凹槽D-RESURF肖特基二極管結構，結果表明，新結構和普通RESURF結構相比，反向擊穿電壓從890V提高到1672V，導通電流為80mA/mm時，正向導通壓降從4.4V降低到

19、2.8V。南雅公等人為了增強器件高溫條件下的適應性，對4H-SiC具有雙層浮結結構的肖特基二極管溫度特性進行了研究。張海鵬等人提出了一種溝槽P型PN結肖特基勢壘復合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)中的應用。陳剛等人采用場板和邊緣終端技術的大電流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，漏電流密度只有1.15×10-3A/cm2，在正向壓降3.5V時得到了7.47A的大電流輸出，特征導通電阻為6.22mcm2。

20、2004年，西安電子科技大學王守國對離子注入制備4H-SiC器件及其溫度特性研究。2010年，湖南大學張發(fā)生對4H-SiC同質外延薄膜及其高電壓肖特基二極管器件研究。2011年，西安電子科技大學黃健華對高壓4H-SiC 結勢壘肖特基二極管進行了研究。2012年，蘭州大學王一帆設計和制備了10A/300V、400V JBS二極管18。在材料和器件的制備方面，北京大學微電子學研究院研制的深槽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，深槽器件的擊穿電壓可以達到80V，比保護環(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實

21、驗室測試了4H-SiC SBD和JBS在250600的區(qū)間內退火后的正反向特性。研究了不同退火溫度對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重點實驗室研制的耐250高溫的1200V-5A 4H-SiC JBS二極管和IXYS公司的600V Si快恢復二極管進行了對比：室溫動態(tài)開關測試中，反向恢復的功率損耗比Si快恢復二極管節(jié)省了92%。這是國內首次報道的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和器件制作工藝研制的4H-SiC JBS二極管，室溫下，反向耐壓達到2700V。正向開啟電壓為0.8V，在正向壓降2V時正向電流密度為122A/cm2，比導通電阻為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)展和應用打下了堅實的基礎。目前由于SiC功率半導體器件表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，特別是SiC SBD，SiC JBS等器件表現(xiàn)出優(yōu)異的電學特性及其制作工藝研究的比較成熟。針對國內SiC功率半導體器件研究水平，應優(yōu)先大力發(fā)展SiC整流器，從器件結構設計和耐壓機理分析入手，一方面是對已有器件繼續(xù)進行優(yōu)化，使其能滿足軍事

23、和商業(yè)化應用；另一方面繼續(xù)開發(fā)更低導通壓降，更小芯片面積和更高工作溫度的器件，加快國內SiC整流器實用化進程。二、4H-SiC JBS器件結構和工作原理4H-SiC 結勢壘肖特基二極管的結構如圖1所示，在普通的4H-SiC 肖特基二極管的漂移區(qū)集成多個網(wǎng)狀的PN結柵，4H-SiC JBS 的工作原理如下：圖1 4H-SiC 結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，由于肖特基勢壘低，肖特基二極管首先導通，隨著反向偏置電壓的增大，PN結二極管導通，有源區(qū)的少數(shù)載流子注入到漂移區(qū)，產(chǎn)生的電導調制效應進一步降低了4H-SiC JBS 器件

24、的正向導通壓降。在較小的正向偏置電壓下，其正向導通特性類似于肖特基二極管的正向導通特性，只是由于P+區(qū)的存在，正向電流密度會減小。2、加反向偏置電壓時，PN結形成的耗盡區(qū)向溝道區(qū)擴展，當反向偏置電壓達到某一個電壓值時，肖特基勢壘下的耗盡層就會相連在一起。當耗盡層交疊以后, 導電溝道被夾斷，就會在溝道區(qū)形成一個勢壘，耗盡層隨著反向偏置電壓的增加而向溝道下方擴展，所增加的反向電壓將會由耗盡層來支撐。這個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，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結二極管導通，PN結的少數(shù)載流子注入到漂移區(qū)，產(chǎn)生的電導調制效應提高了器件的復合率和注入比，此時P+區(qū)貯存的載流子濃度減小降低了4H-SiC JBS器件的反向恢復電流和縮短了反向恢復時間。通過對上述4H-SiC JBS器件工作原理的分析，由于對4H-SiC JBS器件應用需求的側重點不同，所以選擇結構設計時，側重點不同：（1）通過調節(jié)有源區(qū)和肖特基接觸的寬度比來調節(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導通特性，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，但是正向導

26、通特性減弱，所以需根據(jù)實際需求來調節(jié)兩者的寬度比；（2）通過調節(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導通特性，4H-SiC JBS器件在選擇肖特基接觸金屬時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器件的表面電場強度，但是高摻雜離子的注入對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，但會引起4H-S

27、iC JBS器件串聯(lián)電阻的增大，導致正向導通特性減弱；反之提高了器件的正向導通特性，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，要權衡電子器件的實際需要來設計參數(shù)；（5）在實際的4H-SiC JBS器件結的邊緣具有電場集中效應，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的理想值，需要對器件的邊緣終端進行優(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. 正向導通特性在正向偏置電壓下，4H-SiC JBS 器件的肖特基接觸區(qū)域首先導通，隨著電壓的增加，PN結導通，其正向導通壓降的表

28、達式如下所示： （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)、絕對溫度、單個電子電荷量。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結之間的間距。調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，PN結形成的耗盡區(qū)將會向溝道

29、區(qū)擴散和交疊，從而在溝道區(qū)形成一個勢壘，使耗盡層隨著反向偏壓的增加向襯底擴展。這個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，使反向漏電流密度大幅度減小。此時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)生電流和擴散電流。利用熱電子發(fā)射理論，JBS的反向漏電流的表達式如下： （2）3. 二次擊穿產(chǎn)生二次擊穿的原因主要是半導體材料的晶格缺陷和管內結面不均勻等引起的。二次擊穿的產(chǎn)生過程是：半導體結面上一些薄弱點電流密度的增加，導致這些薄弱點上的溫度增加引起這些薄弱點上的電流密度越來越大，溫度也越來越高，如此惡性循環(huán)引起過熱點半導體材料的晶

30、體熔化。此時在兩電極之間形成較低阻的電流通道，電流密度驟增，導致肖特基二極管還未達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到二次擊穿的擊穿電壓值，但是功率二極管還是會產(chǎn)生二次擊穿。為了對上述情況進行合理的解釋，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部由于薄弱點的電流驟增是產(chǎn)生二次擊穿的主要原因。某些薄弱點的功耗達到了誘發(fā)功耗，導致局部電流驟增引起過熱點，此時局部產(chǎn)生熱擊穿或電流擊穿使功率二極管永久損壞。導致電流在局部驟增的原因可能是半導體材料的晶格缺陷和工藝制作導致的擴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)電場強度在不斷增加，倍增因子增加，此時反向漏電流就會趨向于無窮大，而產(chǎn)生一次擊穿，此后反向漏電流進一步增加，在高電場下引起雪崩注入，導致功率二極管的二次擊穿，這種二次擊穿的延遲時間極短。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，因為用離子注入法對碳化硅進行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) 結構可以獲得與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。實驗表明，如果這兩種接觸的勢壘高度以及臺面寬度和凹槽深度搭配得當，器件的反向漏電流可以大大降低。目前，對大功率碳化硅肖特基勢壘二極管的研究開發(fā)已達到小面積（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）器件也能達到1000 V左右的水平。例如，在2001年已有140A/800V 4H-SiC JBS的報導。在同年的另一報導中，反向電壓高達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300&#

33、160;Acm-2，而相應的正向壓降只有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寬的硼注入結終端技術，Al 注入在陽極區(qū)形成格柵pn 結勢壘。8. 3 mm × 10 mm的器件在10 A正向電流時，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到反向關斷電壓3 kV，以dI

34、/dt 為30 A/s進行開關，其反向恢復時間和反向恢復電荷分別為320 ns和425 nC; 且在25 175 內接近常數(shù)。同年報道了商用的SiC JBS 所用的襯底已由3 英寸圓片轉向4 英寸圓片，最大電流達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關斷電壓時為250 A。同時研發(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關斷

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

36、2011 年報道了混合模塊在100 kW宇航用矩陣轉換器的應用試驗，全Si 模塊采用1 700 V/600 A IGBT 和Si快恢復二極管，混合模塊采用1 700 V/ 50A IGBT和1 200 V/50 A SiC 二極管芯片。矩陣轉換器用于80 kW負載的永磁電機的驅動試驗，試驗結果表明，SiC 混合模塊比全Si 模塊在12. 5 kHz 頻率時的開關效率提高7. 8% 達94. 7%，而且能工作到19 kHz的更高頻率，相應的效率達93%。同年也報道了SiC 和Si 二極管在半橋模塊應用中的能耗分析，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SiC SBD ( 1 200 V/40 A) 。兩種模塊在600 V和790 A/s開關比較試驗結果表明: SiC 二極管最大反向恢復電流減少了60%，相應減少損耗58%; IGBT 開關損耗減少了25%，IGBT 總損耗減少15%; 混合模塊的整個損耗減少了22%。2010 年報道了3kV SiC JBS 混合模塊應用于牽引逆變器，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 ) 分別構成。試驗結果表明，S

38、iC 混合模塊和全Si 模塊相比，導通損耗減少到1 /7，反向恢復損耗減少到1 /10。預計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。目前由于SiC功率半導體器件表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，特別是SiC SBD，SiC JBS等器件表現(xiàn)出優(yōu)異的電學特性及其制作工藝研究的比較成熟。針對國內SiC功率半導體器件研究水平，應優(yōu)先大力發(fā)展SiC整流器，從器件結構設計和耐壓機理分析入手，一方面是對已有器件繼續(xù)進行優(yōu)化，使其能滿足軍事和商業(yè)化應用；另一方面繼續(xù)開發(fā)更低導通壓降，更小芯片面積和更高工作溫度的器件，加快國內SiC整流器實用化進程。參考文獻1 Munish Vashishath,

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