SiC肖特基二极管调查报告解析

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1、SiC 结势垒肖特基二极管总结报告何东（B140900200） 肖凡（B140900208） 于佳琪（B140900204）一、SiC JBS器件的发展现状1. 宽禁带半导体材料的优势当前，随着微电子器件向低功耗、高耐压、高可靠性方向的发展，对半导体 材料的要求也逐渐提高。微电子器件越来越多的应用在高温、高辐照、高频和大 功率等特殊环境。为了满足微电子器件在耐高温和抗辐照等领域的应用，需要研 发新的半导体材料，从而最大限度地提高微电子器件性能。传统的硅器件和砷化 镓器件限制了装置和系统性能的提高。以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代 表的第三代半导体材料，由于材料本身的宽禁带宽度和高临界击

2、穿电场等优点成 为制作耐高温、高功率和抗辐照等电子器件的理想的半导体材料1。目前研究的 SiC基器件有高温和功率SiC器件、微波和高频SiC器件、SiC光电器件、抗辐 照器件等2。SiC材料的临界击穿场强是Si材料的10倍，SiC的禁带宽度和热导率均是Si材 料的3倍，本征载流子的浓度也只有硅材料的十分之一。这些优异的物理特性使 SiC材料制成的半导体功率器件在高频、高温、大功率及高辐照等环境下有很高 的优势。SiC在不同的环境下能形成不同的晶体结构，现在常用的有3C-SiC、 4H-SiC、6H-SiC三种晶体结构。4H-SiC材料以其较高的禁带宽度和空穴迁移率， 较低的本征载流子浓度成为制

3、造半导体器件的主流材料3-4。具备以上优异的物理特性的4H-SiC材料主要有以下应用：（1）利用其优异的热导率特性，在器件封装及温度方面的要求低， 4H-SiC 器件适合应用在卫星、航空和航天探测、石油以及地热钻井探测、汽车发动机等 需要耐高温的环境中。（2）利用其宽禁带宽度和高化学稳定性，在高频和抗辐照等领域， 4H-SiC 器件具有不可替代的作用，因为它可以抵御强大的射线辐射，在核战或强电磁干 扰中的耐受能力远远超过硅基器件。（3）利用其高的饱和速度和临界击穿场强，4H-SiC是110 GHz范围的大 功率微波放大器的理想应用材料，高频和微波4H-SiC器件在军用雷达、通信和广 播电视等领

4、域具有很好的应用前景。(4)由于SiC晶体与GaN晶体的热膨胀系数和晶格相匹配，以及SiC材料具 有优良的热导率,4H-SiC材料也成为制造发光二级管和激光二极管的理想衬底材 料，成为制造光电器件的关键基础材料之一。2. 4H-SiC JBS 器件的研究现状碳化硅二极管是功率半导体器件的重要组成部分，目前研究的重点是PiN二 极管，肖特基势垒二极管(SBD，schottky barrier diode)和结势垒肖特基二极管 (JBS，junction barrier schottky diode)。肖特基二极管的主要优势是开关速度快， 反向恢复电流几乎为零，其性能不受正向电流与温度的影响。加反

5、向偏置电压时， 由于隧道效应导致的反向漏电流增大使肖特基二极管的阻断电压受到限制，这很 大程度上制约了其在高压中的应用。相比于肖特基二极管，PiN二极管的优点在 于击穿电压高、反向漏电流小，因而在高压低频功率开关中得到广泛应用。在高 工作频率下， PiN 二极管的长的反向恢复时间导致反向恢复时能量损耗比较大， 限制了其开关速度。结势垒控制肖特基二极管是在普通的肖特基二极管的漂移区 集成多个网状的PN结。在正向偏置时，因为肖特基势垒低，肖特基二极管首先 进入导通状态，起主要作用，随着正向电压的增大，PN结导通，有源区的少数 载流子注入到漂移区，由于少子注入产生的电导调制效应对器件的导通压降进一

6、步改善；反向偏置时，PN结在高反压下耗尽区向沟道区扩展，当反向电压达到 某个数值时，耗尽层交叠并向N-外延层延伸，此时肖特基势垒被屏蔽在高电场 之外，抑制了肖特基势垒的降低，有效改善了反向漏电流的增大。结势垒肖特基 二极管结合了肖特基二极管优良的开关特性和PiN二极管的高阻断特性，成为制 作大电流、高反压、开关速度快、抗浪涌电流强的功率整流管 5-6。所以， SiC 材料以其优良的性能与结势垒控制肖特基二极管的优势相结合是当今功率开关 二极管的发展趋势。SiC JBS 在高压、高温、高速等领域表现出来的巨大潜力引起了广泛的关注， 近年来科研工作者对SiC JBS或MPS器件进行了大量的研究。不

7、同系列的SBD 和 JBS 产品也相继推出。在器件的电学特性和工艺制作方面，Katsunori Asano等人研制了4H-SiC作 为衬底材料的JBS器件，通过改善有源区的面积提高了器件的反向耐压能力和减 小了器件的反向漏电流，器件的最高耐压可达3.9 kV,特征导通电阻为 40.2mQcm2，反向恢复时间9.7ns。2000年，K. Tone等人采用MJTE的结终端技术 制作的MPS器件，在常温至250C条件下对MPS器件进行测试，结果表明其具有 类似于SBD的正向导通特性和类似于PiN二极管的反向漏电流特性。2002年， J.H.Zhao等人成功研制了 1500V/9A和 1000V/50

8、A的4H-SiC JBS器件。2003年， Zhiyun Luo等人首次研究了质子辐照对高压4H-SiC JBS器件静态和动态性能的 影响，通过和Si PiN二极管进行对比，结果表明，在高浓度质子辐照下，4H-SiC JBS器件的抗辐照能力比Si PiN二极管强。2005 年， Lin Zhu 等人研制的一种新型的具有横向沟道的 4H-SiC LC-JBS 器 件，器件耐压超过1 kV,具有较高的开关速度和类似于PiN二极管的反向漏电 流，正向导通压降低于1.8V，开关电流比达到109以上，结电容也比普通JBS 结构减小了 50%。2006年Lin Zhu等人在退火时在表面淀积一层AlN，能有

9、效降 低高温导致的表面缺陷，有效降低了 JBS 器件的导通压降和反向漏电流，特征 导通电阻为40.2mQcm2。2008年Lin Zhu等人又开发了一个新的分析高压下 4H-SiC JBS 整流特性的模型，采用 Fowler-Nordheim 隧穿方程来精确地计算高压 下 JBS 器件的反向漏电流。这种模式已经得到了验证，通过比较仿真和实验结 果，具有很好的一致性7-9。2008年，Brett A. Hull等人研制的面积为0.88 cm2的4H-SiC JBS器件，室温 下，正向电流为10A时，导通压降低于3.5V，在反向偏压为10 kV时，反向漏 电流低于 10pA。同年，P.Brosse

10、lard等人对 1.2 kV 的 Si PiN 二极管、4H-SiC SBD 器件和 4H-SiC JBS 器件进行了温度特性的研究与比较。 Si PiN 二极管在温度为 200C时由于反向电流的增大而失效；室温下4H-SiC SBD器件的正向特性较好, 在300C的温度下4H-SiC JBS器件的正向特性较好；4H-SiC JBS器件的反向漏 电流在三者中最小；随着温度的变化， 4H-SiC SBD 器件的反向恢复特性稳定性 较好， 4H-SiC JBS 器件的反向恢复时间有一定的浮动变化。由此可知对器件参 数的设定取决于系统的需求，比如操作温度，额定电流等10。2009年，Song Qin

11、g-Wen等人提出了一种新的分析MPS反向特性的模型，通 过求解圆柱形泊松方程和利用WKB近似的方法，在肖特基接触区建立了新的电 场分布模型和反向电流密度模型。利用模型计算出的结果和通过ISE仿真出的结 果具有很好的一致性，证实了，隧道电流是器件在高偏压下的反向漏电流的主要 组成部分。同年，Kazuhiro Mochizuki等人利用monte Carlo模型计算了Al离子横 向扩散引起的缺陷对4H-SiC JBS器件正向电流密度和正向导通压降的影响，同时 也讨论了 Al离子横向扩散引起的缺陷对漂移层的表面区域的电子迁移率的退化 产生的影响11。随着微电子技术向高集成度、低功耗方向发展，减小功

12、率器件的尺寸和降低 器件功耗是微电子发展的趋势。Zhang Yimen等人报道的具有浮动型埋层结构的 4H-SiC JBS器件和普通JBS结构对比，击穿耐压提高了 44%，功率损耗降低了 47%。在同等耐压的条件下，器件的尺寸也比普通结构减小了19%。由于金属层 下的SiO2中有正电荷聚集，使该处的耗尽层减薄，边缘效应增强，导致击穿电压 下降，漏电流增大。2010年，Ants Koel等人采用P+扩散保护环结构，使电场集 中的现象得到缓和，在同等尺寸下，和普通4H-SiC JBS器件性能相比，提高了器 件的反向耐压能力和减小了反向漏电流密度，降低了器件功率损耗。 2011年， Chen Fen

13、g-Ping等人研制的利用斜场板和保护环优化电场的4H-SiC JBS器件，沟 槽深度为3pm时，器件的特征导通电阻为8.3mQcm2。开启电压为0.65V，反向偏 置电压为500V时，反向电流密度小于1 A/cm2，反向恢复时间为80ns，反向峰值 电流为28.1mA。器件在75C至200C温度测试下，其反向阻断性能有较好的稳定 性12-13。功率二极管浪涌电流应力下的可靠性检测是至关重要的。 2012 年， Xing Huang等人对SiC SBD和SiC JBS二极管浪涌应力下的可靠性进行了研究，浪涌 的脉冲宽度选择为8.3ms。提取了单个浪涌的峰值功率大约限制在450W/mm2， 脉冲

14、能量为1.4J/mm2。重复浪涌应力下，Al金属的电子迁移可引起引线键合或 边缘终止，从而导致设备发生故障断开。在浪涌电流为34.9A/ mm2，两个SBD 器件可以重复浪涌应力测试10000次而不损坏。随着不同的参数设计， JBS 的导 通压降不同，从而导致它的抗浪涌强度不同。JBS的导通压降为3V时，浪涌电 流超过20A/ mm2时器件损坏，而在此电流下测试的SBD器件却是安全的，这是 因为较高的少数载流子注入从而导致比常规肖特基二极管抗浪涌弱14。在器件的电路及封装应用方面，2002年，Ranbir Singh等人报道了两种 1500V/4A和1410V/20A的4H-SiC JBS器件

15、，二维模拟仿真结果显示沟槽间隔为4pm时表现出优异的开/关特性，在100-200 kHz范围内的DC /DC转换器的效率比 Si基JBS器件提高了 3-6%。由于其反向恢复时间和损耗几乎为零，在硬切换斩波 器的应用中，可以有效降低器件的开启损耗和反向恢复损耗；MOSFET作为主要 的开/关器件时，器件的开启损耗和反向恢复损耗降低了60%； 4H-SiC JBS器件在 软开关斩波器中作辅助二极管使用时，可有效避免辅助支路关断所引起的电压峰 值，同时也减小了应用系统的尺寸及降低了器件的功率损耗15-16。2011 年， Hesam Mirzaee 等人研究比较了应用在高功率中压三电平转换器中 的

16、6.5 kV 的 Si-IGBT/Si-PIN 二极管，6.5 kV 的 Si-IGBT/SiC-JBS 二极管和 10 kV 的 SiC-MOSFET/SiC-JBS 的二极管。三种不同的二极管的电源模块的电路模型是 基于精确地器件管芯的SPICE电路模型，包括封装的寄生电感。选择1MW三电 平转换器，利用包括对称/非对称寄生电感的 SPICE 电路模型观察三种二极管在 1kHz，5kHz和10kHz开关频率下的开关电路脉冲波形和测量切换功率和能量损 耗。结果表明，6.5kV的Si-IGBT结合SiC-JBS反并联二极管具有超过5kHz的 高效率， 10kV 的 SiC-MOSFET/SiC

17、-JBS 二极管仍然可应用于具有较高的开关频 率的高功率转换器。微电子封装在推动更高性能、更低功耗、更低成本和更小形状因子的产品上 发挥着至关重要的作用。在芯片-封装协同设计以及满足各种可靠性要求而使用 具有成本效益的材料和工艺方面，还存在很多挑战。为满足当前需求并使用设备 高产量大产能的能力，还需要在技术和制造方面进行众多的创新研究。 2012年， V. Ban u等人研究了各种封装技术的SiC肖特基二极管的功率循环能力的实验对 比结果，为了便于分析，采用基础设备上的自加热和专用的工作台，功率循环能 力的SiC肖特基二极管的封装使用不同的互连技术（铝楔键合，金丝球键合和压 装）。研究目的在于

18、获得在能够在超过300C的温度下正常使用的碳化硅器件。 耐压600V和1200V的JBS/MPS器件已经在Cree和英飞凌等公司产业化，美国的 Cree公司已经可以提供1200V/50A的JBS/MPS二极管单芯片和封装产品。 JBS/MPS器件为单极型器件，反向恢复时间几乎为零，有效减少了二极管反向恢 复导致的损耗和相关的IGBT开通瞬态损耗，在开关频率较高的电路中得到广泛 应用。国内的宽禁带半导体功率器件的研究起步较晚，材料和器件制作水平和国外 相比还有较大差距。但是在国家973和863国家重大基础项目研究的支持下，促进 了国内的宽禁带半导体功率器件的研究和制备。西安电子科技大学、山东大学

19、和 电子科技大学等高等院校侧重于半导体材料及器件的理论及模拟研究。中国电子 科技集团55所、46所、13所、中科院微电子所等侧重于材料及器件的制备。在 SiC 结构器件设计方面，叶毅等人提出了一种新型 4H-SiC 阳极凹槽 D-RESURF 肖特基二极管结构，结果表明，新结构和普通 RESURF 结构相比， 反向击穿电压从890V提高到1672V，导通电流为80mA/mm时，正向导通压降 从4.4V降低到2.8V。南雅公等人为了增强器件高温条件下的适应性，对4H-SiC 具有双层浮结结构的肖特基二极管温度特性进行了研究。张海鹏等人提出了一种 沟槽P型PN结肖特基势垒复合4H-SiC二极管(T

20、P JBS )与普通的JBS二极管 相比具有更低的通态电阻，更低的反向漏电流，更低的静态功率损耗，更适合在 高功率低功耗的电力电子系统中的应用。陈刚等人采用场板和边缘终端技术的大 电流Ni/4H-SiC SBD二极管，理想因子为1.03，势垒高度为1.6eV，反向偏置电 压1102V时，漏电流密度只有1.15x10-3A/cm2,在正向压降3.5V时得到了 7.47A 的大电流输出，特征导通电阻为6.22mQcm2。2004年，西安电子科技大学王守 国对离子注入制备4H-SiC器件及其温度特性研究。2010年，湖南大学张发生对 4H-SiC同质外延薄膜及其高电压肖特基二极管器件研究。2011年

21、，西安电子科 技大学黄健华对高压4H-SiC结势垒肖特基二极管进行了研究o 2012年，兰州大 学王一帆设计和制备了 10A/300V、400V JBS二极管的。在材料和器件的制备方面，北京大学微电子学研究院研制的深槽Ni (Pt) Si/Si 肖特基二极管可以大幅度提高反向击穿电压，在外延层浓度为5e15cm-3时，深 槽器件的击穿电压可以达到80V,比保护环器件高约30V。2009年，石家庄第 十三研究所专用集成电路国家重点实验室测试了 4H-SiC SBD和JBS在250 600C的区间内退火后的正反向特性。研究了不同退火温度对这两种期间的正向 开启电压、理想因子和反向阻断电压的影响，为

22、4H-SiC SBD和JBS在实际生产 中提供了较理想的理论依据。 2010 年，南京电子器件研究所单片集成电路和模 块国家级重点实验室研制的耐250C高温的1200V-5A 4H-SiC JBS二极管和 IXYS 公司的 600V Si 快恢复二极管进行了对比：室温动态开关测试中，反向恢 复的功率损耗比Si快恢复二极管节省了 92%。这是国内首次报道的250C高温 下正常工作的 SiC JBS 二极管。2011 年，南京电子器件研究所又在 76.2 mm 4H-SiC晶圆上采用厚外延技术和器件制作工艺研制的4H-SiC JBS二极管，室温 下，反向耐压达到2700V。正向开启电压为0.8V,

23、在正向压降2V时正向电流密 度为122A/cm2，比导通电阻为8.8mQcm2。近年来，中电13所，55所等研制的 600V1200V的SiC SBD试样品，为SiC器件的发展和应用打下了坚实的基础。目前由于SiC功率半导体器件表现出的优异性能，特别是SiC SBD，SiC JBS 等器件表现出优异的电学特性及其制作工艺研究的比较成熟。针对国内SiC功率 半导体器件研究水平，应优先大力发展SiC整流器，从器件结构设计和耐压机理 分析入手，一方面是对已有器件继续进行优化，使其能满足军事和商业化应用； 另一方面继续开发更低导通压降，更小芯片面积和更高工作温度的器件，加快国 内 SiC 整流器实用化

24、进程。二、4H-SiC JBS器件结构和工作原理4H-SiC 结势垒肖特基二极管的结构如图 1 所示，在普通的 4H-SiC 肖特基二极管的漂移区集成多个网状的PN结栅，4H-SiC JBS的工作原理如下：AnodeSilicon OxideOhmic ContactSchottky Contact图1 4H-SiC 结势垒控制肖特基二极管示意图ihfward vt卅age(V)图2 4H-SiC PiN、SBD和MPS正向特性比较1、加正向偏置电压时，由于肖特基势垒低，肖特基二极管首先导通，随着 反向偏置电压的增大，PN结二极管导通，有源区的少数载流子注入到漂移区， 产生的电导调制效应进一步

25、降低了 4H-SiC JBS器件的正向导通压降。在较小的 正向偏置电压下，其正向导通特性类似于肖特基二极管的正向导通特性，只是由 于P+区的存在，正向电流密度会减小。2、加反向偏置电压时，PN结形成的耗尽区向沟道区扩展，当反向偏置电压 达到某一个电压值时，肖特基势垒下的耗尽层就会相连在一起。当耗尽层交叠以 后，导电沟道被夹断，就会在沟道区形成一个势垒，耗尽层随着反向偏置电压的 增加而向沟道下方扩展，所增加的反向电压将会由耗尽层来支撑。这个势垒把肖 特基势垒屏蔽在高电场之外，有效地抑制了肖特基势垒降低效应，使反向漏电流 大幅度减小，这和普通的肖特基二极管明显不同。穿通条件一旦建立，除了由于 空间

26、电荷区产生而引起的反向漏电流微小增加外，反向漏电流的大小基本保持不 变。3、4H-SiC JBS器件在较大的正向偏置电压下，PN结二极管导通，PN结的 少数载流子注入到漂移区，产生的电导调制效应提高了器件的复合率和注入比， 此时P+区贮存的载流子浓度减小降低了 4H-SiC JBS器件的反向恢复电流和缩短 了反向恢复时间。通过对上述4H-SiC JBS器件工作原理的分析，由于对4H-SiC JBS器件应用 需求的侧重点不同，所以选择结构设计时，侧重点不同:（1）通过调节有源区和 肖特基接触的宽度比来调节4H-SiC JBS器件的性能，增大肖特基接触的宽度可 提高器件的正向导通特性，但是反向耐压

27、能力减弱；增大有源区的宽度可提高器 件的反向耐压能力，但是正向导通特性减弱，所以需根据实际需求来调节两者的 宽度比；（2）通过调节有源区和肖特基接触的宽度比来折中器件的反向耐压和正 向导通特性，4H-SiC JBS器件在选择肖特基接触金属时比肖特基二极管更加灵 活；（3）较大的有源区深度可以更有效的降低4H-SiC JBS器件的表面电场强度, 但是高掺杂离子的注入对4H-SiC JBS器件表面的损伤也越大，较低掺杂离子注 入可以减弱半导体表面的损伤，提高器件的耐压能力就必须要耗尽层落在N-外 延层，就必须提高有源区的掺杂浓度，所以在选择有源区的深度时也需要折中考 虑；（4）较大的N-外延层厚度

28、和较小的掺杂浓度能提高4H-SiC JBS器件的反向 耐压能力，但会引起4H-SiC JBS器件串联电阻的增大，导致正向导通特性减弱; 反之提高了器件的正向导通特性，减弱了器件的反向耐压能力，所以在选择N- 外延层的厚度和掺杂浓度大小时，要权衡电子器件的实际需要来设计参数；（5） 在实际的4H-SiC JBS器件结的边缘具有电场集中效应，降低了器件的反向耐压 能力，所以为了缓解电场集中，使器件的反向耐压能力更接近于平行平面结的理 想值，需要对器件的边缘终端进行优化。三、4H-SiC JBS器件的电参数特性(UJOMI0亡epe图3 4H-SiC JBS器件正向伏安特性曲线1. 正向导通特性在正

29、向偏置电压下，4H-SiC JBS器件的肖特基接触区域首先导通，随着电压的增加， PN 结导通，其正向导通压降的表达式如下所示：VF,JBSnkT1 ( J )ln f + 加I A*T 2 丿B+ R Jon,JBS F,JBS1）式中，Jf,jbs表示4H-SiC JBS器件的正向电流密度，JFS表示通过4H-SiC JBS器 件肖特基接触区域的电流密度，Ron,JBS表示4H-SiC JBS器件导通电阻，B, n， k， T， q 分别为肖特基势垒高度、理想因子、玻尔兹曼常数、绝对温度、单个电 子电荷量。2. 反向截止特性肖特基二极管的反向阻断特性较差，是受肖特基势垒变低的影响。为了获得

30、 高击穿电压，漂移区的掺杂浓度很低，因此势垒形成并不求助于减小PN结之间 的间距。调整肖特基间距获得与PiN击穿电压接近的JBS，但是JBS的高温漏电 流大于PiN,这是来源于肖特基区。JBS反向偏置时，PN结形成的耗尽区将会 向沟道区扩散和交叠，从而在沟道区形成一个势垒，使耗尽层随着反向偏压的增 加向衬底扩展。这个耗尽层将肖特基界面屏蔽于高场之外，避免了肖特基势垒降 低效应，使反向漏电流密度大幅度减小。此时 JBS 类似于 PiN 管。反向漏电流 的组成主要由两部分：一是来自肖特基势垒的注入；二是耗尽层产生电流和扩散 电流。利用热电子发射理论， JBS 的反向漏电流的表达式如下：m - S

31、- xJ =j A*T 2e-% / kTe MB / kT（2）R，Jbs m + 2S3. 二次击穿产生二次击穿的原因主要是半导体材料的晶格缺陷和管内结面不均匀等引起的。二次击穿的产生过程是：半导体结面上一些薄弱点电流密度的增加，导致这些薄弱点上的温度增加引起这些薄弱点上的电流密度越来越大，温度也越来越高，如此恶性循环引起过热点半导体材料的晶体熔化。此时在两电极之间形成较低阻的电流通道，电流密度骤增，导致肖特基二极管还未达到击穿电压值就已经损坏。因此二次击穿是不可逆的，是破坏性的。流经二极管的平均电流并未达到二次击穿的击穿电压值，但是功率二极管还是会产生二次击穿。为了对上述情况进行合理的解

32、释，电流集中理论和雪崩注入理论得到广为采纳。（1）电流集中 功率二极管内部由于薄弱点的电流骤增是产生二次击穿的主要原因。某些薄 弱点的功耗达到了诱发功耗，导致局部电流骤增引起过热点，此时局部产生热击 穿或电流击穿使功率二极管永久损坏。导致电流在局部骤增的原因可能是半导体 材料的晶格缺陷和工艺制作导致的扩散引起的不均匀性造成的。（2）雪崩注入 在反向偏置条件下，随着反向偏置电压的增加引起空间电荷区电场强度在不 断增加，倍增因子增加，此时反向漏电流就会趋向于无穷大，而产生一次击穿， 此后反向漏电流进一步增加，在高电场下引起雪崩注入，导致功率二极管的二次 击穿，这种二次击穿的延迟时间极短。四、4H-

33、SiC JBS器件存在的主要问题JBS目前的困难在于p型碳化硅的欧姆接触较难形成，因为用离子注入法对 碳化硅进行p型掺杂需要很高的退火温度，在碳化硅中很难形成p+区。采用 Baliga提出的凹槽肖特基势垒二极管（TSBS）结构可以获得与JBS类似的效果， 却可避免p型掺杂。在碳化硅外延层的表面和表层凹槽的表面分别用功函数不同 的两种金属形成高低不同的肖特基势垒。低势垒接触在表面，高势垒接触在凹槽 表面，后者为前者起削弱反向电场的作用。实验表明，如果这两种接触的势垒高 度以及台面宽度和凹槽深度搭配得当，器件的反向漏电流可以大大降低。目前， 对大功率碳化硅肖特基势垒二极管的研究开发已达到小面积（直

34、径0.5 mm以下） 器件的反向阻断电压超过4000 V,大面积（直径超过1 mm）器件也能达到1000 V 左右的水平。例如，在2001年已有140A/800V 4H-SiC JBS的报导。在同年的另 一报导中，反向电压高达1200V的4H-SiC肖特基势垒二极管已做到直径3mm, 其正向电流密度高达300 Acm-2,而相应的正向压降只有2V。五、4H-SiC JBS 器件最新成果1. 大容量、小型化2008年报道了 10 kV/10 A的4H-SiC JBS二极管，该器件的n-区厚120 pm, 掺杂浓度为6. 0 x 1014 /cm3，采用了900 pm宽的硼注入结终端技术，Al注入

35、在 阳极区形成格栅pn结势垒。8. 3 mm x 10 mm的器件在10 A正向电流时，正向压 降小于3. 5 V;从常温到200 C具有正温度系数的电阻性能和稳定的肖特基势垒 高度，10 kV关断电压的反向漏电在全温度范围小于10 yA。从正向电流10 A到反 向关断电压3 kV,以di /dt为30 A/ys进行开关，其反向恢复时间和反向恢复电荷 分别为320 ns和425 nC;且在25175 C内接近常数。同年报道了商用的SiC JBS所用的衬底已由3英寸圆片转向4英寸圆片，最大电流达50 A,正在开发的 更大工作电流器件有1. 2 kV/75 A和1. 2 kV/100 A两种，芯片

36、面积分别为6 mm x 8 mm和6. 8 mm x10 mm。100 A器件的正向压降为1. 77 V，反向漏电在1. 33 kV关 断电压时为250 yA。同时研发了10 kV/20 A的SiC JBS，20 A器件的正向压降为 3. 1 V，反向漏电在10 kV关断电压时为80 yA。2. 模块化4H-SiC二极管和Si IGBT可组成电力电子开关混合模块，在功耗、工作频 率和可靠性等性能比全Si开关模块有大幅提高。这种电力电子开关混合模块已 进行了55 kW三相逆变器的应用试验，混合模块中采用600 V/600 A Si IGBT作三 相逆变器的开关管，用六个600 V/75 A的Si

37、C SBD代替三个600 V/150 A的Si p-n 二极管。在感性负载试验中，混合模块的损耗比全Si模块减少33.6%，在动态 试验中，混合模块的平均损耗比全Si模块减少10.6%11. 2%。试验表明混合 模块逆变器工作在47kW峰值功率时，效率大于90%。2011年报道了混合模块在100 kW宇航用矩阵转换器的应用试验，全Si模块 采用1 700 V/600 A IGBT和Si快恢复二极管，混合模块采用1 700 V/ 50A IGBT 和1 200 V/50 A SiC二极管芯片。矩阵转换器用于80 kW负载的永磁电机的驱动 试验，试验结果表明，SiC混合模块比全Si模块在12. 5

38、 kHz频率时的开关效率 提高7. 8%达94. 7%,而且能工作到19 kHz的更高频率，相应的效率达93%。同 年也报道了SiC和Si二极管在半桥模块应用中的能耗分析，在全Si和混合模块 所用Si IGBT 相同(1 200 V/ 100 A )，二极管分别为Si 二极管(1 200 V/ 100 A ) 和两个SiC SBD ( 1 200 V/40 A)。两种模块在600 V和790 A/ys开关比较试验结果 表明: SiC 二极管最大反向恢复电流减少了60%，相应减少损耗58%; IGBT 开关 损耗减少了25%， IGBT 总损耗减少15%; 混合模块的整个损耗减少了22%。201

39、0 年报道了3kV SiC JBS混合模块应用于牵引逆变器，3 kV/200 A的两种模块由Si IGBT和Si p-n二极管(工作电流100 A/cm2 )以及SiC JBS二极管(密度为120 A/cm2 )分别构成。试验结果表明，SiC混合模块和全Si模块相比，导通损耗 减少到1 /7，反向恢复损耗减少到1 /10。预计变换器和逆变器的总损耗下降30%， 该逆变器成功用于火车的牵引电机。目前由于SiC功率半导体器件表现出的优异性能，特别是SiC SBD, SiC JBS 等器件表现出优异的电学特性及其制作工艺研究的比较成熟。针对国内SiC功率 半导体器件研究水平，应优先大力发展SiC整流

40、器，从器件结构设计和耐压机理 分析入手，一方面是对已有器件继续进行优化，使其能满足军事和商业化应用； 另一方面继续开发更低导通压降，更小芯片面积和更高工作温度的器件，加快国 内SiC整流器实用化进程。参考文献1 Munish Vashishath, Ashoke K. Chatterjee. Recent trends in silicon carbide device research J.Mj. Int. J. Sci. Tech. 2008, 2(03): 444-470.2 王守国，张岩.SiC材料及器件的应用发展前景J. Chinese Journal of Nature, 2011

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