【導(dǎo)讀】在高功率應(yīng)用中，碳化硅（SiC）的許多方面都優(yōu)于硅，包括更高的工作溫度以及更高效的高頻開關(guān)性能。但是，與硅快速恢復(fù)二極管相比，純 SiC 肖特基二極管的一些特性仍有待提高。本博客介紹Nexperia（安世半導(dǎo)體）如何將先進(jìn)的器件結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新工藝技術(shù)結(jié)合在一起，以進(jìn)一步提高 SiC 肖特基二極管的性能。
在高功率應(yīng)用中，碳化硅（SiC）的許多方面都優(yōu)于硅，包括更高的工作溫度以及更高效的高頻開關(guān)性能。但是，與硅快速恢復(fù)二極管相比，純 SiC 肖特基二極管的一些特性仍有待提高。本博客介紹Nexperia（安世半導(dǎo)體）如何將先進(jìn)的器件結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新工藝技術(shù)結(jié)合在一起，以進(jìn)一步提高 SiC 肖特基二極管的性能。
合并 PIN 肖特基（MPS）結(jié)構(gòu)可減小漏電流
金屬-半導(dǎo)體接面的缺陷是導(dǎo)致 SiC 肖特基二極管漏電流的主要原因。盡管采用更厚的漂移層可減小漏電流，但也會(huì)提高電阻和熱阻，從而不利于電源應(yīng)用。為解決這些問題， Nexperia SiC 開發(fā)了采用混合器件結(jié)構(gòu)的 SiC 二極管，如圖1所示。這種“合并 PiN 肖特基”（MPS）可將肖特基二極管和并聯(lián)的 P-N 二極管有效地結(jié)合在一起。
標(biāo)準(zhǔn) SiC 肖特基二極管結(jié)構(gòu)（左）和 Nexperia 的 SiC MPS 二極管結(jié)構(gòu)（右）
在傳統(tǒng)肖特基結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)內(nèi)嵌入 P 摻雜區(qū)，與肖特基陽極的金屬構(gòu)成 p 歐姆接觸，并與輕度摻雜 SiC 漂移或外延層構(gòu)成 P-N 結(jié)。在反向偏壓下， P 阱將“驅(qū)使”最高場(chǎng)強(qiáng)的通用區(qū)域向下移動(dòng)到幾乎沒有缺陷的漂移層，遠(yuǎn)離有缺陷的金屬勢(shì)壘區(qū)域，從而減小總漏電流，如圖2所示。P 阱的物理位置和面積（與肖特基二極管的尺寸相比）以及摻雜濃度會(huì)影響其最終特性，同時(shí)正向壓降會(huì)抵消漏電流和浪涌電流。因此，在漏電流和漂移層厚度相同的情況下， MPS 器件可在更高的擊穿電壓下運(yùn)行。
圖2：SiC MPS 二極管的靜態(tài) I-V 行為（包括過流）
MPS 二極管具有更出色的浪涌電流穩(wěn)健性
SiC 器件的浪涌電流性能與其單極性和相對(duì)較高的漂移層電阻相關(guān)， MPS 結(jié)構(gòu)也可以提高該參數(shù)性能。這是因?yàn)椋p極性器件的差分電阻低于單極性器件。正常運(yùn)行時(shí)， MPS 二極管的肖特基器件傳導(dǎo)幾乎所有電流，以便像肖特基二極管那樣有效運(yùn)行，同時(shí)在開關(guān)期間提供相同的優(yōu)勢(shì)。在高瞬態(tài)浪涌電流事件期間，通過 MPS 二極管的電壓會(huì)超過內(nèi)置 P-N 二極管的開啟電壓，從而開始以更低的差分電阻傳導(dǎo)。這可以轉(zhuǎn)移電流，同時(shí)限制耗散的功率，并緩解 MPS 二極管的熱應(yīng)力。如果只使用肖特基二極管，而不使用 P-N 二極管，則必須使用尺寸明顯超規(guī)格的肖特基二極管，以允許目標(biāo)應(yīng)用中出現(xiàn)瞬時(shí)過流事件。為限制過流，可并聯(lián)連接器件（或添加額外電路），但這會(huì)增加成本。同樣， P 阱的尺寸和摻雜需要在正向壓降（正常運(yùn)行期間）與浪涌承受能力之間進(jìn)行權(quán)衡。具體優(yōu)化選擇取決于應(yīng)用， Nexperia（安世半導(dǎo)體）提供適合各種硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)用的二極管。
MPC 二極管的反向恢復(fù)特性
除了具有更出色的靜態(tài)特性， SiC MPS 二極管在動(dòng)態(tài)開關(guān)操作期間也具備諸多優(yōu)點(diǎn)。其與硅基 P-N 二極管相比的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)與反向恢復(fù)特性有關(guān)。反向恢復(fù)電荷是造成硅快速恢復(fù)二極管功率損耗的一個(gè)主要原因，因此對(duì)轉(zhuǎn)換器效率會(huì)有不利影響。影響反向恢復(fù)電荷的參數(shù)有很多，包括二極管關(guān)斷電流和結(jié)溫。相比之下，只有多數(shù)載流子才會(huì)影響 SiC 二極管的總電流，這意味著 SiC 二極管能夠表現(xiàn)出幾乎恒定的行為，幾乎不會(huì)有硅快速恢復(fù)二極管的非線性性能。因此，功率設(shè)計(jì)人員更容易預(yù)測(cè)出 SiC 的行為，因?yàn)樗麄儫o需考慮各種環(huán)境溫度和負(fù)載條件。
創(chuàng)新的“薄型 SiC ”二極管結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提高 MPS 二極管的性能
Nexperia（安世半導(dǎo)體）的 MPS 二極管在制造過程中減少了芯片厚度，因此具有額外的優(yōu)勢(shì)。未經(jīng)過處理的 SiC 襯底為 N 摻雜襯底，并會(huì)生長出 SiC 外延層，以形成漂移區(qū)。襯底最初的厚度可達(dá)500 μm ，但在外延后，這會(huì)給背面金屬的電流和熱流路徑增加額外的電阻和熱阻。因此，給定電流下的正向壓降和結(jié)溫也會(huì)變得更高。針對(duì)該問題， Nexperia（安世半導(dǎo)體）的解決方案就是將襯底的底面“磨薄”。在此工序中，材料質(zhì)量和研磨精度至關(guān)重要，以避免厚度不均勻，進(jìn)而降低二極管的性能（這會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的器件故障）。此外，由于 SiC 的硬度更高（莫氏硬度等級(jí)為9.2至9.3，而硅的硬度等級(jí)為6.5），需要采用先進(jìn)的制造技術(shù)。圖3顯示了該工藝的效果，通過使用 Nexperia（安世半導(dǎo)體）的“薄型 SiC ”技術(shù)將襯底厚度減少到原來的三分之一。
圖3：與標(biāo)準(zhǔn)的 SiC 二極管結(jié)構(gòu)（左）相比， Nexperia（安世半導(dǎo)體）的“薄型 SiC ”工藝（右）可提高二極管的電氣性能和熱性能。
因此，從結(jié)點(diǎn)到背面金屬的熱阻顯著降低，從而降低器件的工作溫度，提高器件的可靠性（由于具備更高的浪涌電流穩(wěn)健性），并降低正向壓降。
總結(jié)
可用 SiC 肖特基二極管的數(shù)量和類型不斷增加，包括使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 SiC 肖特基二極管和使用更先進(jìn)的 MPS 結(jié)構(gòu)的 SiC 肖特基二極管。Nexperia（安世半導(dǎo)體）的新型 SiC 肖特基二極管集成了寬帶隙半導(dǎo)體材料（碳化硅）的優(yōu)點(diǎn)、 MPS 器件結(jié)構(gòu)及其“薄型 SiC ”技術(shù)帶來的額外優(yōu)勢(shì)。憑借其在工藝開發(fā)和器件制造方面的專業(yè)知識(shí)， Nexperia（安世半導(dǎo)體）能夠進(jìn)一步提高這款新產(chǎn)品的性能，使其在當(dāng)今 SiC 二極管市場(chǎng)中始終保持領(lǐng)先地位。
關(guān)于作者：Sebastian Fahlbusch
Sebastian 在電力電子領(lǐng)域擁有十多年的經(jīng)驗(yàn)，尤其是在碳化硅（SiC）和寬帶隙技術(shù)方面。他成功地在漢堡聯(lián)邦國防軍大學(xué)完成了有關(guān)使用 SiC-MOSFET 的新型多級(jí)功率轉(zhuǎn)換器構(gòu)想的博士學(xué)位論文。Sebastian 于2019年加入 Nexperia（安世半導(dǎo)體）的產(chǎn)品應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)，他的主要工作重點(diǎn)是為實(shí)現(xiàn)新電源產(chǎn)品提供支持，以強(qiáng)化 Nexperia（安世半導(dǎo)體）的功率產(chǎn)品組合。
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