碳化硅功率器件及應(yīng)用
作者:海飛樂技術(shù) 時(shí)間:2018-08-06 17:26
碳化硅(SiC)半導(dǎo)體材料是自第一代元素半導(dǎo)體材料(Si、Ge)和第二代化合物半導(dǎo)體材料(GaAs、GaP、InP等)之后發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體材料。作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,碳化硅具有禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)高、熱導(dǎo)率大、載流子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性良好等特點(diǎn),可以用來制造各種耐高溫的高頻大功率器件,應(yīng)用于硅器件難以勝任的場合,或在一般應(yīng)用中產(chǎn)生硅器件難以產(chǎn)生的效果。
1. 碳化硅材料的特點(diǎn)
SiC材料的一個顯著特點(diǎn)是同質(zhì)多型,制作器件最常用的是4H-SiC和6H-SiC兩種。如表1所示,和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料,如Si、GaAs等相比,SiC材料具有更高的熱傳導(dǎo)率(3~13倍),使得SiC器件可以在高溫下長時(shí)間穩(wěn)定工作;更高的臨界擊穿電場(4~20倍)和更大的載流子飽和速率,有利于提高器件的工作頻率。
表1 不同半導(dǎo)體材料的特性對比
2. SiC材料制備
SiC單晶的制備最常用的方法是物理氣相傳輸(PVT),大約占晶圓供應(yīng)量的90%以上。此外,高溫化學(xué)氣相淀積(CVD)也越來越重要,該方法能產(chǎn)生極低雜質(zhì)含量的晶錠。同時(shí),這兩種方法均可應(yīng)用于制備SiC外延。20世紀(jì)50年代Lely使用兩層石墨舟,使外層的坩堝加熱到2500℃,SiC透過里層的多空石墨升華進(jìn)入內(nèi)層形成晶體。70年代后期,Tairrov和Tsvetkov對Lely法進(jìn)行了改進(jìn),SiC源在石墨舟的底部,底部溫度達(dá)2200℃,頂部溫度較低并放置籽晶,溫度梯度為20~40℃/cm,這種方法又稱為PVT。
由于SiC單晶的制備難度較大,成本高,因此SiC外延生長在SiC器件技術(shù)中舉足輕重。對于不同的襯底,生長SiC外延可以分為兩種:以SiC為襯底的同質(zhì)外延生長和以Si和藍(lán)寶石為襯底的異質(zhì)外延生長。自從較大直徑的SiC晶片商業(yè)化后,SiC同質(zhì)外延生長技術(shù)發(fā)展很快,SiC同質(zhì)外延生長主要采用以下方法:升華或物理氣相傳輸(PVT)、分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)及化學(xué)氣相淀積(CVD)。
分子束外延法將原材料進(jìn)行蒸發(fā)并作為分子束進(jìn)行傳輸,最后到達(dá)經(jīng)過預(yù)熱、處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的襯底。這種方法可以提供高純質(zhì)量、高精準(zhǔn)厚度、低溫(600~1200℃)的外延層。液相外延是一種相對比較簡單而且成本較低的生長方法,生長發(fā)生在三相平衡線上,但這種方法對外延層表面形貌難以進(jìn)行很好地控制,進(jìn)而限制了LPE的使用。
化學(xué)氣相淀積法中,襯底放在旋轉(zhuǎn)同時(shí)被加熱的石墨托盤上,氣相的分子束擴(kuò)散到襯底表面并分解,由襯底表面吸收后與表面反應(yīng),形成外延層。這種方法目前是SiC襯底生產(chǎn)的主要外延工藝。
3. SiC功率器件及應(yīng)用
SiC功率器件主要包括功率二極管(SBD和PiN等)、單極型功率晶體管(MOSFET、JFET和SIT等)和雙極型載流子功率晶體管(BJT和GTO等)。
3.1 功率二極管
肖特基勢壘二極管(SBD)作為一種單極性器件,在導(dǎo)通過程中沒有額外載流子注入和儲存,因而基本沒有反向恢復(fù)電流,其關(guān)斷過程很快,開關(guān)損耗很小。由于碳化硅材料的臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度較高,可以制作出超過1000V的反向擊穿電壓。在3kV以上的整流器應(yīng)用領(lǐng)域,由于SiC PiN二極管與Si器件相比具有更快的開關(guān)速度、高結(jié)溫承受能力、高電流密度和更高的功率密度,SiC PiN二極管在電力設(shè)備、能量儲備、超高壓固態(tài)電源領(lǐng)域扮演更重要的角色。
3.2 單極型功率晶體管
碳化硅MOSFET的突出優(yōu)勢體現(xiàn)在:導(dǎo)通電阻??;低電容,開關(guān)速度快;驅(qū)動電路簡單;正溫度系數(shù)易于并聯(lián)。因而,應(yīng)用碳化硅MOSFET能夠提高系統(tǒng)的效率,降低散熱需求,提高開關(guān)頻率且增加雪崩強(qiáng)度。這些優(yōu)勢決定了其在太陽能轉(zhuǎn)換器、高壓DC/DC變換器和電機(jī)驅(qū)動等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用。由于SiC MOSFET存在溝道電子遷移率和SiO2層擊穿的問題,因此作為沒有肖特基接觸和MOS界面的單極器件SiC JFET就很有吸引力。SiC JFET有著優(yōu)良的特性和結(jié)構(gòu)和相對簡化的制造工藝。SiC JFET產(chǎn)品分為常開溝道型(normally-on)和常閉溝道型(normally-off)兩種,其中常閉溝道型能夠與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動芯片相匹配,而常開溝道型則需要負(fù)壓維持關(guān)斷狀態(tài)。SIT(靜電感應(yīng)晶體管),主要用于從超高頻到微波頻率的大功率放大器和發(fā)射器、電源調(diào)節(jié)設(shè)備中的大功率轉(zhuǎn)換。
3.3 雙極型載流子功率晶體管
SiC雙極型功率器件BJT因SiC臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度是Si的10倍,而比Si BJT的二次擊穿臨界電流密度高100倍,不會有Si BJT那樣嚴(yán)峻的二次擊穿問題,此外,臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度高這一材料優(yōu)勢也使SiC BJT在相同的阻斷電壓下可比Si BJT有較窄的基區(qū)和集電區(qū),這對提高電流增益β和開關(guān)速度十分有利,SiC BJT主要分為外延發(fā)射極和離子注入發(fā)射極BJT,典型的電流增益在10~50之間。與碳化硅功率MOS相比,對3kV以上的阻斷電壓,碳化硅晶閘管的通態(tài)電流密度可以提高幾個數(shù)量級,特別適合高壓大電流開關(guān)方面的應(yīng)用。對碳化硅晶閘管的開發(fā)主要集中于GTO,目前阻斷電壓最大的GTO器件,阻斷電壓為12.7kV。
4. 結(jié)束語
SiC材料的優(yōu)良特性及SiC功率器件的巨大性能優(yōu)勢,激勵著人們不斷地研究與開發(fā),隨著大尺寸SiC晶圓生長技術(shù)和器件制造技術(shù)的的發(fā)展,SiC功率器件將在民用和軍事方面得到更廣泛的應(yīng)用。
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