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為什么所有的SiC肖特基二極管都不一樣

發(fā)布時間:2023-06-16 責(zé)任編輯:lina

【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)如何將先進的器件結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新工藝技術(shù)結(jié)合在一起,以進一步提高 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)如何將先進的器件結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新工藝技術(shù)結(jié)合在一起,以進一步提高 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。


為什么所有的SiC肖特基二極管都不一樣

標準 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”最高場強的通用區(qū)域向下移動到幾乎沒有缺陷的漂移層,遠離有缺陷的金屬勢壘區(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)以及摻雜濃度會影響其最終特性,同時正向壓降會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行。


為什么所有的SiC肖特基二極管都不一樣

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。這是因為,雙極性器件的差分電阻低于單極性器件。正常運行時, 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行,同時在開關(guān)期間提供相同的優(yōu)勢。在高瞬態(tài)浪涌電流事件期間,通過 MPS 二極管的電壓會超過內(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,以允許目標應(yīng)用中出現(xiàn)瞬時過流事件。為限制過流,可并聯(lián)連接器件(或添加額外電路),但這會增加成本。同樣, P 阱的尺寸和摻雜需要在正向壓降(正常運行期間)與浪涌承受能力之間進行權(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 二極管在動態(tài)開關(guān)操作期間也具備諸多優(yōu)點。其與硅基 P-N 二極管相比的一個顯著優(yōu)勢與反向恢復(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主要原因,因此對轉(zhuǎn)換器效率會有不利影響。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,幾乎不會有硅快速恢復(fù)二極管的非線性性能。因此,功率設(shè)計人員更容易預(yù)測出 SiC 的行為,因為他們無需考慮各種環(huán)境溫度和負載條件。


創(chuàng)新的“薄型 SiC ”二極管結(jié)構(gòu)可進一步提高 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。未經(jīng)過處理的 SiC 襯底為 N 摻雜襯底,并會生長出 SiC 外延層,以形成漂移區(qū)。襯底最初的厚度可達500 μm ,但在外延后,這會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)溫也會變得更高。針對該問題, 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,進而降低二極管的性能(這會導(dǎo)致現(xiàn)場應(yīng)用中的器件故障)。此外,由于 SiC 的硬度更高(莫氏硬度等級為9.2至9.3,而硅的硬度等級為6.5),需要采用先進的制造技術(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。


為什么所有的SiC肖特基二極管都不一樣

圖3:與標準的 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、 MPS 器件結(jié)構(gòu)及其“薄型 SiC ”技術(shù)帶來的額外優(yōu)勢。憑借其在工藝開發(fā)和器件制造方面的專業(yè)知識, Nexperia(安世半導(dǎo)體)能夠進一步提高這款新產(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,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)用工程師團隊,他的主要工作重點是為實現(xiàn)新電源產(chǎn)品提供支持,以強化 Nexperia(安世半導(dǎo)體)的功率產(chǎn)品組合。


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