SiC肖特基二极管调查报告解析

SiC结势垒肖特基二极管总结报告何东（B140900200）肖凡（B140900208）于佳琪（B140900204）一、SiCJBS器件的发展现状1.宽禁带半导体材料的优势当前，随着微电子器件向低功耗、高耐压、高可靠性方向的发展，对半导体材料的要求也逐渐提高。微电子器件越来越多的应用在高温、高辐照、高频和大功率等特殊环境。为了满足微电子器件在耐高温和抗辐照等领域的应用，需要研发新的半导体材料，从而最大限度地提高微电子器件性能。传统的硅器件和砷化镓器件限制了装置和系统性能的提高。以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，由于材料本身的宽禁带宽度和高临界击穿电场等优点成为制作耐高温、高功率和抗辐照等电子器件的理想的半导体材料[1]。目前研究的SiC基器件有高温和功率SiC器件、微波和高频SiC器件、SiC光电器件、抗辐照器件等[2]。SiC材料的临界击穿场强是Si材料的10倍，SiC的禁带宽度和热导率均是Si材料的3倍，本征载流子的浓度也只有硅材料的十分之一。这些优异的物理特性使SiC材料制成的半导体功率器件在高频、高温、大功率及高辐照等环境下有很高的优势。SiC在不同的环境下能形成不同的晶体结构，现在常用的有3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC三种晶体结构。4H-SiC材料以其较高的禁带宽度和空穴迁移率，较低的本征载流子浓度成为制造半导体器件的主流材料[3-4]。具备以上优异的物理特性的4H-SiC材料主要有以下应用：（1）利用其优异的热导率特性，在器件封装及温度方面的要求低，4H-SiC器件适合应用在卫星、航空和航天探测、石油以及地热钻井探测、汽车发动机等需要耐高温的环境中。（2）利用其宽禁带宽度和高化学稳定性，在高频和抗辐照等领域，4H-SiC器件具有不可替代的作用，因为它可以抵御强大的射线辐射，在核战或强电磁干扰中的耐受能力远远超过硅基器件。（3）利用其高的饱和速度和临界击穿场强，4H-SiC是1～10GHz范围的大功率微波放大器的理想应用材料，高频和微波4H-SiC器件在军用雷达、通信和广播电视等领域具有很好的应用前景。（4）由于SiC晶体与GaN晶体的热膨胀系数和晶格相匹配，以及SiC材料具有优良的热导率，4H-SiC材料也成为制造发光二级管和激光二极管的理想衬底材料，成为制造光电器件的关键基础材料之一。2.4H-SiCJBS器件的研究现状碳化硅二极管是功率半导体器件的重要组成部分，目前研究的重点是PiN二极管，肖特基势垒二极管（SBD，schottkybarrierdiode）和结势垒肖特基二极管（JBS，junctionbarrierschottkydiode）。肖特基二极管的主要优势是开关速度快，反向恢复电流几乎为零，其性能不受正向电流与温度的影响。加反向偏置电压时，由于隧道效应导致的反向漏电流增大使肖特基二极管的阻断电压受到限制，这很大程度上制约了其在高压中的应用。相比于肖特基二极管，PiN二极管的优点在于击穿电压高、反向漏电流小，因而在高压低频功率开关中得到广泛应用。在高工作频率下，PiN二极管的长的反向恢复时间导致反向恢复时能量损耗比较大，限制了其开关速度。结势垒控制肖特基二极管是在普通的肖特基二极管的漂移区集成多个网状的PN结。在正向偏置时，因为肖特基势垒低，肖特基二极管首先进入导通状态，起主要作用，随着正向电压的增大，PN结导通，有源区的少数载流子注入到漂移区，由于少子注入产生的电导调制效应对器件的导通压降进一步改善；反向偏置时，PN结在高反压下耗尽区向沟道区扩展，当反向电压达到某个数值时，耗尽层交叠并向N-外延层延伸，此时肖特基势垒被屏蔽在高电场之外，抑制了肖特基势垒的降低，有效改善了反向漏电流的增大。结势垒肖特基二极管结合了肖特基二极管优良的开关特性和PiN二极管的高阻断特性，成为制作大电流、高反压、开关速度快、抗浪涌电流强的功率整流管[5-6]。所以，SiC材料以其优良的性能与结势垒控制肖特基二极管的优势相结合是当今功率开关二极管的发展趋势。SiCJBS在高压、高温、高速等领域表现出来的巨大潜力引起了广泛的关注，近年来科研工作者对SiCJBS或MPS器件进行了大量的研究。不同系列的SBD和JBS产品也相继推出。在器件的电学特性和工艺制作方面，KatsunoriAsano等人研制了4H-SiC作为衬底材料的JBS器件，通过改善有源区的面积提高了器件的反向耐压能力和减小了器件的反向漏电流，器件的最高耐压可达3.9kV，特征导通电阻为40.2mΩcm2，反向恢复时间9.7ns。2000年，K.Tone等人采用MJTE的结终端技术制作的MPS器件，在常温至250℃条件下对MPS器件进行测试，结果表明其具有类似于SBD的正向导通特性和类似于PiN二极管的反向漏电流特性。2002年，J.H.Zhao等人成功研制了1500V/9A和1000V/50A的4H-SiCJBS器件。2003年，ZhiyunLuo等人首次研究了质子辐照对高压4H-SiCJBS器件静态和动态性能的影响，通过和SiPiN二极管进行对比，结果表明，在高浓度质子辐照下，4H-SiCJBS器件的抗辐照能力比SiPiN二极管强。2005年，LinZhu等人研制的一种新型的具有横向沟道的4H-SiCLC-JBS器件，器件耐压超过1kV，具有较高的开关速度和类似于PiN二极管的反向漏电流，正向导通压降低于1.8V，开关电流比达到109以上，结电容也比普通JBS结构减小了50%。2006年LinZhu等人在退火时在表面淀积一层AlN，能有效降低高温导致的表面缺陷，有效降低了JBS器件的导通压降和反向漏电流，特征导通电阻为40.2mΩcm2。2008年LinZhu等人又开发了一个新的分析高压下4H-SiCJBS整流特性的模型，采用Fowler-Nordheim隧穿方程来精确地计算高压下JBS器件的反向漏电流。这种模式已经得到了验证，通过比较仿真和实验结果，具有很好的一致性[7-9]。2008年，BrettA.Hull等人研制的面积为0.88cm2的4H-SiCJBS器件，室温下，正向电流为10A时，导通压降低于3.5V，在反向偏压为10kV时，反向漏电流低于10µA。同年，P.Brosselard等人对1.2kV的SiPiN二极管、4H-SiCSBD器件和4H-SiCJBS器件进行了温度特性的研究与比较。SiPiN二极管在温度为200℃时由于反向电流的增大而失效；室温下4H-SiCSBD器件的正向特性较好，在300℃的温度下4H-SiCJBS器件的正向特性较好；4H-SiCJBS器件的反向漏电流在三者中最小；随着温度的变化，4H-SiCSBD器件的反向恢复特性稳定性较好，4H-SiCJBS器件的反向恢复时间有一定的浮动变化。由此可知对器件参数的设定取决于系统的需求，比如操作温度，额定电流等[10]。2009年，SongQing-Wen等人提出了一种新的分析MPS反向特性的模型，通过求解圆柱形泊松方程和利用WKB近似的方法，在肖特基接触区建立了新的电场分布模型和反向电流密度模型。利用模型计算出的结果和通过ISE仿真出的结果具有很好的一致性，证实了，隧道电流是器件在高偏压下的反向漏电流的主要组成部分。同年，KazuhiroMochizuki等人利用monteCarlo模型计算了Al离子横向扩散引起的缺陷对4H-SiCJBS器件正向电流密度和正向导通压降的影响，同时也讨论了Al离子横向扩散引起的缺陷对漂移层的表面区域的电子迁移率的退化产生的影响[11]。随着微电子技术向高集成度、低功耗方向发展，减小功率器件的尺寸和降低器件功耗是微电子发展的趋势。ZhangYimen等人报道的具有浮动型埋层结构的4H-SiCJBS器件和普通JBS结构对比，击穿耐压提高了44%，功率损耗降低了47%。在同等耐压的条件下，器件的尺寸也比普通结构减小了19%。由于金属层下的SiO2中有正电荷聚集，使该处的耗尽层减薄，边缘效应增强，导致击穿电压下降，漏电流增大。2010年，AntsKoel等人采用P+扩散保护环结构，使电场集中的现象得到缓和，在同等尺寸下，和普通4H-SiCJBS器件性能相比，提高了器件的反向耐压能力和减小了反向漏电流密度，降低了器件功率损耗。2011年，ChenFeng-Ping等人研制的利用斜场板和保护环优化电场的4H-SiCJBS器件，沟槽深度为3µm时，器件的特征导通电阻为8.3mΩcm2。开启电压为0.65V，反向偏置电压为500V时，反向电流密度小于1A/cm2，反向恢复时间为80ns，反向峰值电流为28.1mA。器件在75℃至200℃温度测试下，其反向阻断性能有较好的稳定性[12-13]。功率二极管浪涌电流应力下的可靠性检测是至关重要的。2012年，XingHuang等人对SiCSBD和SiCJBS二极管浪涌应力下的可靠性进行了研究，浪涌的脉冲宽度选择为8.3ms。提取了单个浪涌的峰值功率大约限制在450W/mm2，脉冲能量为1.4J/mm2。重复浪涌应力下，Al金属的电子迁移可引起引线键合或边缘终止，从而导致设备发生故障断开。在浪涌电流为34.9A/mm2，两个SBD器件可以重复浪涌应力测试10000次而不损坏。随着不同的参数设计，JBS的导通压降不同，从而导致它的抗浪涌强度不同。JBS的导通压降为3V时，浪涌电流超过20A/mm2时器件损坏，而在此电流下测试的SBD器件却是安全的，这是因为较高的少数载流子注入从而导致比常规肖特基二极管抗浪涌弱[14]。在器件的电路及封装应用方面，2002年，RanbirSingh等人报道了两种1500V/4A和1410V/20A的4H-SiCJBS器件，二维模拟仿真结果显示沟槽间隔为4µm时表现出优异的开/关特性，在100-200kHz范围内的DC/DC转换器的效率比Si基JBS器件提高了3-6％。由于其反向恢复时间和损耗几乎为零，在硬切换斩波器的应用中，可以有效降低器件的开启损耗和反向恢复损耗；MOSFET作为主要的开/关器件时，器件的开启损耗和反向恢复损耗降低了60%；4H-SiCJBS器件在软开关斩波器中作辅助二极管使用时，可有效避免辅助支路关断所引起的电压峰值，同时也减小了应用系统的尺寸及降低了器件的功率损耗[15-16]。2011年，HesamMirzaee等人研究比较了应用在高功率中压三电平转换器中的6.5kV的Si-IGBT/Si-PIN二极管，6.5kV的Si-IGBT/SiC-JBS二极管和10kV的SiC-MOSFET/SiC-JBS的二极管。三种不同的二极管的电源模块的电路模型是基于精确地器件管芯的SPICE电路模型，包括封装的寄生电感。选择1MW三电平转换器，利用包括对称/非对称寄生电感的SPICE电路模型观察三种二极管在1kHz，5kHz和10kHz开关频率下的开关电路脉冲波形和测量切换功率和能量损耗。结果表明，6.5kV的Si-IGBT结合SiC-JBS反并联二极管具有超过5kHz的高效率，10kV的SiC-MOSFET/SiC-JBS二极管仍然可应用于具有较高的开关频率的高功率转换器。微电子封装在推动更高性能、更低功耗、更低成本和更小形状因子的产品上发挥着至关重要的作用。在芯片-封装协同设计以及满足各种可靠性要求而使用具有成本效益的材料和工艺方面，还存在很多挑战。为满足当前需求并使用设备高产量大产能的能力，还需要在技术和制造方面进行众多的创新研究。2012年，V.Banu等人研究了各种封装技术的SiC肖特基二极管的功率循环能力的实验对比结果，为了便于分析，采用基础设备上的自加热和专用的工作台，功率循环能力的SiC肖特基二极管的封装使用不同的互连技术（铝楔键合，金丝球键合和压装）。研究目的在于获得在能够在超过300℃的温度下正常使用的碳化硅器件。耐压600V和1200V的JBS/MPS器件已经在Cree和英飞凌等公司产业化，美国的Cree公司已经可以提供1200V/50A的JBS/MPS二极管单芯片和封装产品[17]。JBS/MPS器件为单极型器件，