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          碳化硅功率器件及應用

          作者:海飛樂技術 時間:2018-08-06 17:26

            碳化硅(SiC)半導體材料是自第一代元素半導體材料(Si、Ge)和第二代化合物半導體材料(GaAs、GaP、InP等)之后發展起來的第三代半導體材料。作為一種寬禁帶半導體材料,碳化硅具有禁帶寬度大、擊穿場強高、熱導率大、載流子飽和漂移速度高、介電常數小、抗輻射能力強、化學穩定性良好等特點,可以用來制造各種耐高溫的高頻大功率器件,應用于硅器件難以勝任的場合,或在一般應用中產生硅器件難以產生的效果。
           
            1. 碳化硅材料的特點
            SiC材料的一個顯著特點是同質多型,制作器件最常用的是4H-SiC和6H-SiC兩種。如表1所示,和傳統的半導體材料,如Si、GaAs等相比,SiC材料具有更高的熱傳導率(3~13倍),使得SiC器件可以在高溫下長時間穩定工作;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 不同半導體材料的特性對比
          不同半導體材料的特性對比 
           
            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),大約占晶圓供應量的90%以上。此外,高溫化學氣相淀積(CVD)也越來越重要,該方法能產生極低雜質含量的晶錠。同時,這兩種方法均可應用于制備SiC外延。20世紀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入內層形成晶體。70年代后期,Tairrov和Tsvetkov對Lely法進行了改進,SiC源在石墨舟的底部,底部溫度達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為襯底的同質外延生長和以Si和藍寶石為襯底的異質外延生長。自從較大直徑的SiC晶片商業化后,SiC同質外延生長技術發展很快,SiC同質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)及化學氣相淀積(CVD)。
           
            分子束外延法將原材料進行蒸發并作為分子束進行傳輸,最后到達經過預熱、處于旋轉狀態的襯底。這種方法可以提供高純質量、高精準厚度、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,生長發生在三相平衡線上,但這種方法對外延層表面形貌難以進行很好地控制,進而限制了LPE的使用。
           
            化學氣相淀積法中,襯底放在旋轉同時被加熱的石墨托盤上,氣相的分子束擴散到襯底表面并分解,由襯底表面吸收后與表面反應,形成外延層。這種方法目前是SiC襯底生產的主要外延工藝。
           
            3. SiC功率器件及應用
            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電流,其關斷過程很快,開關損耗很小。由于碳化硅材料的臨界雪崩擊穿電場強度較高,可以制作出超過1000V的反向擊穿電壓。在3kV以上的整流器應用領域,由于SiC PiN二極管與Si器件相比具有更快的開關速度、高結溫承受能力、高電流密度和更高的功率密度,SiC PiN二極管在電力設備、能量儲備、超高壓固態電源領域扮演更重要的角色。
           
            3.2 單極型功率晶體管
            碳化硅MOSFET的突出優勢體現在:導通電阻??;低電容,開關速度快;驅動電路簡單;正溫度系數易于并聯。因而,應用碳化硅MOSFET能夠提高系統的效率,降低散熱需求,提高開關頻率且增加雪崩強度。這些優勢決定了其在太陽能轉換器、高壓DC/DC變換器和電機驅動等領域中具有廣闊的應用。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有著優良的特性和結構和相對簡化的制造工藝。SiC JFET產品分為常開溝道型(normally-on)和常閉溝道型(normally-off)兩種,其中常閉溝道型能夠與現有的標準柵極驅動芯片相匹配,而常開溝道型則需要負壓維持關斷狀態。SIT(靜電感應晶體管),主要用于從超高頻到微波頻率的大功率放大器和發射器、電源調節設備中的大功率轉換。
           
            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那樣嚴峻的二次擊穿問題,此外,臨界雪崩擊穿電場強度高這一材料優勢也使SiC BJT在相同的阻斷電壓下可比Si BJT有較窄的基區和集電區,這對提高電流增益β和開關速度十分有利,SiC BJT主要分為外延發射極和離子注入發射極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電流密度可以提高幾個數量級,特別適合高壓大電流開關方面的應用。對碳化硅晶閘管的開發主要集中于GTO,目前阻斷電壓最大的GTO器件,阻斷電壓為12.7kV。
           
            4. 結束語
            SiC材料的優良特性及SiC功率器件的巨大性能優勢,激勵著人們不斷地研究與開發,隨著大尺寸SiC晶圓生長技術和器件制造技術的的發展,SiC功率器件將在民用和軍事方面得到更廣泛的應用。




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