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SiC电力电子器件喷薄欲发

时间:2017-10-13  来源:本网  作者:admin  浏览次数:225

  I、丨Si为代表的传统半导体电力器件可满足电力电子对功率大、工作速度快、通态电阻小、驱动功率低等方面的应用要求。但是,只有SiC等宽禁带半导体材料才能根本上解决电力电子对高击穿电压、高工作温度等方面的要求,并有可能省去过流、过压、过温等保护装置。这主要归功于SiC具有很高的击穿场强、良好的热导率和热稳定性。

  最弓丨人注目的SiC电力器件是Schottky整流器、晶闸管和功率MOSFET.Schottky整流器的阻断电压已达3KV,GTO晶闸管达1KV以上,UMOS和DMOS功率管达1.4KV,LDMOS功率管达2.6KV.以下就这些类型SiC器件的技术现状和性能水平进行讨论。

  SiC二极管作为电力电子器件主要用于整流、开关等装置。其特点除工作温度高外,还具有雪崩击穿电场高、通态电阻小和反向恢复时间短等《:能。结构上主要有pn结二极管和Schottky二极管。

  一、pn结二极管为了避免台式工艺中腐蚀带来的问题,近几年也对平面结构的SiCpn二极管进行了研究。P.M.Shenoy等人对n型6H-SiC采用B注入技术研制的平面二极管的反向电压达800V,在击穿电压下漏电流10|iA,反向恢复时间小于50nS.最近S.Ortolland等人对平面p+nn+结构的二极管进行分析研究,其工艺结构特点是在掺杂注入A1的p发射区周围再注入B或A1原子形成P环区,以实现结的水平延伸,实验样品的击穿电ffiVB,=1420V,达到平面结构的理论值的92%.二、Schottky二极管Schottky二极管可以获得比pn结二极管更低的正向压降,而该类型的SiC器件又比Si器件具备另外的优点。

  Si和GaAs势鱼高度和击穿电场较低,因而制作的Schottky二极管反向漏电较大,阻断电压也不高,而SiC的优异材料特性决定了SiCSchottky二极管可以提高低正向压降、高击穿电压和高开关速度等优异的电学性能。

  流器的功率损耗大小与器件正向压降和反向漏电流有密切关系,这样从正向工作状态来说要求低势垒高度而反向工作状态要求高势垒高度,这是互相矛盾的。所以对势垒金属必须折衷考虑。对n型SiC而言,Ni和Ti是较好的Schottky势垒金属,Ni/SiC的势垒高度比Ti/SiC高,所以前者有望获得较小的反向电流,而后者的正向压降较小,为了获得反向漏电流小、正向压降低的高性能SiC Schottky二极管整流器,人们采用了包括Ni接触和Ti接触,即高/低势垒的双金属沟槽(DMT)结构的SiC二极管设计方案。这种Ni/TiDMTSchottky整流器在正向偏置时,低势垒高度的Ti接触控制电导大小,正向特性主要由Ti二极管决定,器件呈较低的正向压降;反向偏置下,边槽Ni的耗尽区横向延伸把Ti二极管夹断,反向特性主要由Ni接触控制,器件呈很小的反向电流。K.J. Schoen等人对他们研制的Ni/TiDMT4H-SiCSchottky夹断整流器的电学特性分析表明,其反向特性类似于Ni Schottky整流器,在反向偏压300V时,反向漏电流比平面型Ti Schottky整流器的小75倍,而正向特ft与平面型TiSchottky整流器相当。此外,K. Veno等人报导了带保护环的6H-SiC Schottky二极管,击穿电压为550V. SiCpn结二极管的缺点是正向压降较高以及用Schot-tky二极管整流器使用电压高而有较大的反向漏电流。为了克服它们这些缺陷,研究人员开发了一种称为JBS(Junc-tionBrrierSchottky)二极管的整流器件。JBS二极管在低漏电流的电力整流、高速开关、高温工作应用中有望成为优选器件,其优点是具有低正向压降,同时保持高阻断电压下的小泄漏电流。JBS二极管综合了pn结和Schot- tky接触二者的优点,在)上是一合并的p―n/Schottky结构,它在Schottky结构金属势垒下方的n型漂移区注入P型区而形成p结作为调制极。在工作原理上,JBS二极管在正向时依靠Schottky势垒传输电流,因而JBS器件正向特性取决于其中的Schottky结构,而反向工作状态时,经过仔细设计的pn结可以有效地限制高电场对Schottky结的影响,因而JBS器件的反向特性取决于pn结。C.M.Zetterling等人采用SiC衬底外延lnm的n型层,再用离子注入形成一系列平行的P+条,顶层势垒金属为Ti.这种JBS二极管的正向特与Ti Schottky势垒二极管相同,而反向漏电流大小处于pn结和TiSchottky二极管之间。通态电阻为20mfl*cm2,阻断电压1.1KV,200V反向偏压下漏电流lnA/cm2. Rayhunathon还报导了p型4H、6H―SiCSchottky二极管的研究成果。以Ti为势垒金属的p型6H和4H― SiCSchottky二极管的反向击穿电压分别为540C和600V,串联电阻分别为70mQ.cm2和25mfl*cm2,在100V反向偏压下漏电流小于lxlO7A/cm2(室温)。这是公开发表数量不多的p型SiCSchottky二极售1的优秀成果之一。

  三、晶闸管晶体管作为可控的四端电力电子器件在高电压、大电流应用方面具有优势,因为它具有低正向压降和电流处理能力。而SiC晶闸管在3KV以上的大电流应用是很吸引人的。与M0SFET相比,SiC的晶闸管不存在栅氧化物以及带来的可靠性问题,因而有望在高电压、大电流和高温下可靠工作。同时晶闸管具有正反向关断能力,因而非常适合作AC开关,当然通过门电路控制,也可作DC开关。同时,在导通状态下,晶闸管的正向压降由二极管压降和器件的导通电阻的压降组成,对于SiC而言,二极管的压降约2.8V,所以在低电流密度时晶闸管的正向压降大于功率M0SFET,然而由于电导调制效应的存在使漂移区的电阻减小,所以在大电流密度情况下,晶闸管压降并不会象M0SFET那祥迅速增加,因而晶闸管在大电流密度情况下性能更优,且阻断电压更高。

  最近几年采用n型4H―SiC衬底开发的晶闸管的电性能已有极大的提高。J.W.Palmour等人报导的对称晶闸管达到了900V/2A、700V/6A的性能水平,相应的通态电阻为下可靠工作的验证。最近由K.Xie等人研制的6H-SiCpnpn晶闸管,阻断电压为100V,通态电流密度5200A;ctn2,具有良好的动态开关特"注、超大电流处理能力和高温工作性能,开关上升时间43nS,下降时间小于100nS,脉冲门控开关工作频率达600KHz,在300*C时正向翻转电压下降只有4%,而Si晶闸管在150*C下就失效了。

  门电路关断(GTO)晶闸管是在传统晶闸管基础上发展起来的第二代电流控制器件。与传统晶闸管相比,GTO最大优点是可通过门脉冲控制开与关,且控制灵敏度高。SiCGT0晶闸管的研究开发成果近年屡见报导,其中NorthropGrumman科研中心的研究工作最为出色。他们采用4H―SiC研制包括对称和非对称、叉指和圆形等结构的GTO晶闸管,并进行了测试分析。与对称结构GTO相比,非对称GTO具有更优良的开关性能和击穿性能,A.K.Agarwal等人先后多次发表其研究成果,较早报导的非对称4H-S1CGTO晶闸管的正向阻断电压为600~800V,在电流密度为500A/cm2时正向压降4.8V(350*C时),关断时间小于1哗。此后又报导了包括<|)0.5~1.5mm圆形结构GTO及叉指结构GTO的进一步研制成果,其中《|)680叫的圆环结构GT0的正向阻断电压一般为600V,最高可达700V,导通电流4A(电流密度1500A/cm2);而器件的特性较差,阻断电压为结构GTO的正向阻断电压高达1000V,最大电流1A,相应电流密度3500A/cm2.在电流密度为1000A/cm2情况下,室温时的正向压降3.45V,而390*C时降至2.95V,正向压降与环境温度和阳极接触电阻有关。这些器件的关四、MOSFET电压控制器件MOSFET是电压控制器件,其输入阻抗高、驱动电流小、驱动功率低、驱动电路简单。与SiMOSFET相比,SiCMOSFET能大大地克服SiMOSFET在高温下导通电阻大的缺点。在同样器件尺寸情况下,SiCMOS器件比Si器件的导通电阻小10~20倍,从而传输损耗更低;或者说在同样导通阻情况下,SiCMOS器件比Si器件的芯片尺寸要小1~2倍,作为开关应用时损耗更小。此外,由于SiC具有更高临界电场,在额定阻断电压要求下,Si- CMOS器件的漂移区可以采用更薄、掺杂浓度更高的外延层,因而SiCMOS器件的导通电阻小1~2倍。

  UMOS结构,有两个主要的问题制约了器件性能的提高和改善。主要问题之一是栅氧化物处于很高的电场,尤其是在U形槽拐角处氧化物,在器件处于高漏极电压工作状态下将可能导致栅氧化物的突然失效。

  这样的结果使SiC器件的高工作电压的优点受到限制,妨碍了器件阻断电压的提高。另一方面,目前的技术在P型SiC上生长氧化物还可能造成较高密度的界面态和极低迁移率的反型层,高电阻率的反型层沟道对器件的导通电阻起决定作用,而低电阻率的漂移区却失去作用,影响了器件导通电阻的进一步减小。此外,由于SiC材料制作U形槽必须使用RIE技术,其高能量离子也会在槽边造成缺陷,降低沟道迁移率及氧化层的击穿特性和使源一漏泄漏电流增大=为了抑制和消除这些不良影响,研究人员在UMOS结构基础上引入新的设计技术,研制开发了多种新结构的SiCMOSFET.1997年J.N.Shenoy等人报导了第一个平面6H*SiCDIMOS(双注入MOS)器件,特别是加入B和N双注入工艺,这种器件阻断电研制了另一种平面结构的称为ACCUFET的6H*SiCMOSFET,其主要特点是在MOS栅下面的n型漂移区设置一注B的p型埋层,形成一个积累层,P+层既降低了加在栅氧化物上的电场,又为漂移区提供了一个并联的电流通路。因此研制出的ACCUFET的击穿电压虽然只有350V,但漏电流小于1鸱(击穿时),而且在低栅压(5V)下导通电阻很小。

  cm2)。另外,K.Hara还针对解决MOS界面相关问题而开发一种SiC功率器件,这种称为EC*FET的SiC功率MOS器件的结构特点是在凹槽外壁外延生长一层沟道区,提供以积累模工作的导电通路。研制的EC*FET具有非常低的导通电阻,只采用目前的SiC外延技术,实用外延层厚度为1015nm,因而对于纵向结构的SiCMOSFET的阻断电压的理论最大值为2.2KV左右。当前报导的纵向MOS器件阻断电压已达到1.4kv,但要超出上述理论限制,方法之一是采用横向结构,SiC的横向MOS器件(LDMOS)由J.Spitz等人首先研制成功。采用4H*SiC绝缘衬底和15哗n型外延层,双离子(B和N)注入分别形成栅区和源漏区。这种SiCLDMOS的阻断电压为2.6KV(室温)和2.2KV(155……器件导通电阻仍较高,但研究者认为利用降低表面场(RESURF)原理设计这种SiC LDMOS可以有效地降低漂移区电阻,实现高电压、低电阻的性能要求。

  宽禁带材料的电力电子器件在公共电力事业方面可作为控制电力的输出和分配的“灵巧”电子器件使用。

  现有的Si电子开关在高温下工作不可靠,使得电网测量和控制变得非常困难。优秀的宽禁带半导体器件能够增加公共电力分配系统的效率和可靠性,与现在使用的Si功率器件相比,宽禁带半导体功率器件具有承受电压高。

  响应速度快、寄生电阻小和几何尺寸小等优点,快速开关器件不但可以加电力系统的转换效率,而且也能实现小变压器和电容器的使用,极大地减小整体尺寸和系统重量。因此,宽禁带电力电子器件将在21世纪大大改善电力分配并使电力使用更加有效。

  五、结束语微电子GaN和SiC材料具有优良的材料特性,使其在研高频、大功率、高温器件方面倍受青睐。随着薄膜生长技术及器件制造工艺的进展,GaN和SiC器件在近几年得以迅速发展。在微波功率方面已进入X波段;在功率电子领域已研制出多种MOSFET和GTO等新型的SiC器件,并有望替代现有电子电力系统中的Si功率器件。

  耐高温、抗辐射、大功率等优良的器件特性吸引着研制者们不断开发和完善GaN和SiC器件结构和工艺技术。可以说,继第一代Si、Ge材料之后,在对第二代GaAs、InP化合物材料进行深入开发应用的同时,已开始对第三代GaN、SiC宽禁带半导体材料的研究,并在此基础上开发出新一代宽禁带半导体器件,从而开辟半导体研究的新纪元。酬世产品术/ECN

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