600 V-30 A 4H-SiC肖特基二极管作为IGBT续流二极管的研究

采用碳化硅外延和器件工艺制造了碳化硅肖特基(SBD)二极管,耐压超过600 V。正向压降为1.6 V时,器件电流达到30A。作为IGBT续流二极管,600 V碳化硅肖特基二极管和国际整流器公司的600 V超快恢复二极管(Ultra fast diode)进行了对比:125℃IGBT模块动态开关测试中,碳化硅二极管的反向恢复能耗比硅二极管节省90%,相应的IGBT开通能耗节省30%。另外反向恢复中过电压从40%降为10%,这是由于碳化硅的软度高,提高了模块的可靠性。     

3300 V高性能混合SiC模块研制

将Si基绝缘栅双极型晶体管（Insulated gate bipolar transistor,IGBT）芯片与SiC结型势垒肖特基二极管芯片按照双开关电路结构排布,开发了一种3 300 V等级混合SiC模块,对其设计方法、封装工艺、仿真、测试结果进行分析,并对标相同规格IGBT模块。混合SiC模块低空洞率焊接满足牵引领域高温度循环周次的要求,冗余式的连跳键合结构可以有效增强功率循环能力。采用双脉冲法测试动态性能,测试结果表明该混合SiC模块反向恢复时间减小了84%,反向恢复电流减小了89.5%,反向恢复能量减小了99%,一次开关产生的总损耗降低了43.3%。混合SiC模块消除了开关过程中电压和电流过冲现象,在高电压、大电流和高频率的应用工况下具有明显的优势。     

3300 V-10 A SiC肖特基二极管北大核心CSCD

利用一次离子注入同时形成有源区和结终端结构,实现3 300 V 4H-SiC肖特基二极管。器件的正向电压为1.7 V时,电流达到10.3 A,相应电流密度为100 A/cm2,比导通电阻为7.77 mΩ·cm2。在3 300 V反向偏置电压下反向漏电流为226μA。测试同一晶圆上的pn二极管显示,设计的场限环结终端击穿电压可以达到4 000 V,达到仿真结果的95%。分析发现肖特基二极管的漏电流主要由肖特基接触的热场电子发射产生,有源区的肖特基接触线宽直接影响器件的正向电流密度和反向漏电流。设计合适的肖特基接触宽度是实现高性能器件的关键。     

3300 V-10 A SiC肖特基二极管

利用一次离子注入同时形成有源区和结终端结构,实现3 300 V 4H-SiC肖特基二极管。器件的正向电压为1.7 V时,电流达到10.3 A,相应电流密度为100 A/cm2,比导通电阻为7.77 mΩ·cm2。在3 300 V反向偏置电压下反向漏电流为226μA。测试同一晶圆上的pn二极管显示,设计的场限环结终端击穿电压可以达到4 000 V,达到仿真结果的95%。分析发现肖特基二极管的漏电流主要由肖特基接触的热场电子发射产生,有源区的肖特基接触线宽直接影响器件的正向电流密度和反向漏电流。设计合适的肖特基接触宽度是实现高性能器件的关键。     

一种新型SiC SBD的高温反向恢复特性

与传统硅基功率二极管相比,碳化硅肖特基势垒二极管(SiC SBD)可提高开关频率并大幅减小开关损耗,同时有更高的耐压范围.设计并制作了具有场限环结终端和Ti肖特基接触的1.2 kV/30 A SiC SBD器件,研究了该SiC SBD在100~300℃时的反向恢复特性.实验结果表明,温度每上升100℃,SiC SBD反向电压峰值增幅为5%左右,而反向恢复电流与反向恢复时间受温度影响不大;温度每升高50℃,反向恢复损耗功率峰值降低5%.实验结果表明该SiCSBD在高温下能够稳定工作,且具有良好的反向恢复特性,适用于卫星、航空和航天探测、石油以及地热钻井探测等需要大功率、耐高温和高速器件的领域.     

4H-SiC混合PN/Schottky二极管的研制

报道了4H-SiC混合PN/Schottky二极管的设计、制备和特性．该器件用镍作为肖特基接触金属,使用了结终端扩展（JTE）技术．在肖特基接触下的n型漂移区采用多能量注入的方法形成P区而组成面对面的PN结,这些PN结将肖特基接触屏蔽在高场之外,离子注入的退化是在1500℃下进行了30min．器件可耐压600V,在600V时的最小反向漏电流为1×10-3A/cm2．1000μm的大器件在正向电压为3V时电流密度为200A/cm2,而300μm的小尺寸器件在正向电压为3.5V电流密度可达1000A/cm2．     

6H-SiC基混合肖特基/PiN二极管反向恢复及少子特性研究北大核心CSCD

反向恢复特性是衡量混合肖特基/PiN(MPS)二极管开关性能最重要的参数之一。本文对6H-SiC基MPS二极管结构参数与反向恢复峰值电流、反向恢复电压之间的关系进行了数值模拟仿真,分析了器件关断过程中过剩少数载流子分布,以此就6HSiC基MPS器件结构参数对反向恢复特性的影响进行了研究。结果表明:结构参数P+区结深、P+区掺杂浓度的增加,或肖特基区占比的减小,均会引起反向恢复峰值电流、反向恢复峰值电压的增大。究其根本,是器件结构参数改变引起了漂移区下少数载流子发生产生、复合、抽运等一系列变化。综合考虑反向恢复峰值电流、反向恢复峰值电压与软恢复特性,得出6H-SiC基MPS最佳优化参数:P+结深为3.8~4.0μm,肖特基区的占比为48%~56%,P+掺杂浓度为5.0×1018/cm3。     

3300V逆导型IGBT器件仿真

基于现有仿真平台,设计一款3 300V/50A逆导型绝缘栅双极晶体管器件(逆导型IGBT或RC-IGBT),元胞采用场截止型平面栅结构,元胞设计中采用载流子增强技术(EP),元胞注入采用自对准工艺,背面P型集电极采用透明集电极技术,降低IGBT工作模式下的饱和压降。采用二维数值仿真研究了器件结构及结构参数对器件性能的影响,通过结构参数拉偏,折衷优化IGBT与内集成二极管的性能参数,仿真得到的3 300V/50A逆导型IGBT器件饱和压降为3.4V,二极管导通压降为2.3V,阈值电压为5.6V,击穿电压为4 480V,与相同电压等级的分立IGBT器件和二极管性能相当。     

深槽Ni(Pt)Si/Si肖特基二极管特性研究

采用15nmNi/1.5nmPt/15nmNi/Si结构在600～850°C范围内经RTP退火的方法形成Ni(Pt)Si薄膜,其薄膜电阻低且均匀一致。比形成较低电阻率的NiSi薄膜的温度提高了150°C。在850°CRTP退火后形成的Ni(Pt)Si/Si肖特基势垒二极管I-V特性很好,其势垒高度ΦB为0.71eV,改善了肖特基二极管的稳定性。实验表明在肖特基二极管中引入深槽结构,可以大幅度地提高其反向击穿电压。在外延层浓度为5E15cm-3时,深槽器件的击穿电压可以达到80V,比保护环器件高约30V。     

采用场板和B+离子注入边缘终端技术的Ti/4H-SiC肖特基势垒二极管

采用自主外延的4H-SiC外延片,利用PECVD生长的SiO2做场板介质,B+离子注入边缘终端技术,制造了Ti/4H-SiC肖特基势垒二极管.测试结果表明,Ti/4H-SiC肖特基势垒二极管的理想因子n=1.08,势垒高度(ψe)=1.05eV,串联电阻为6.77mΩ·cm2,正向电压为4V时,电流密度达到430A/cm2.反向击穿电压大于1.1kV,室温下,反向电压为1.1kV时,反向漏电流为5.96×10-3 A/cm2.     

Demonstration of the first 10-kV 4H-SiC Schottky barrier diodes

This letter reports the demonstration of the first 4H-SiC Schottky barrier diode (SBD) blocking over 10 kV based on 115-/spl mu/m n-type epilayers doped to 5.6 /spl times/ 10/sup 14/ cm/sup -3/ through the use of a multistep junction termination extension. The blocking voltage substantially surpasses the former 4H-SiC SBD record of 4.9 kV. A current density of 48 A/cm/sup 2/ is achieved with a forward voltage drop of 6 V. The Schottky barrier height, ideality factor, and electron mobility for this very thick epilayer are reported. The SBD's specific-on resistance is also reported.     

一种提高ESD性能的高压SBD器件结构研究

提出了一种新型SBD器件结构,并应用于高压SBD产品的研制。该结构通过在肖特基势垒区的硅表面增加一层表面缓冲掺杂层(Improved Surface Buffer Dope),将高压SBD的击穿点从常规结构的PN结保护环区域转移到平坦的肖特基势垒区,从根本上提高了器件的反向静电放电(ESD)和浪涌冲击能力。经流片验证,采用该结构的10A150VSBD产品和10A200VSBD产品均通过了反向静电放电(HBM模式)8kV的考核,达到目前业界领先水平。该结构工艺实现简单,可以应用于100V以上SBD的批量生产。     

SiC devices: physics and numerical simulation

The important material parameters for 6H silicon carbide (6H-SiC) are extracted from the literature and implemented into the 2-D device simulation programs PISCES and BREAKDOWN and into the 1-D program OSSI Simulations of 6H-SiC p-n junctions show the possibility to operate corresponding devices at temperatures up to 1000 K thanks to their low reverse current densities. Comparison of a 6H-SiC 1200 V p-n^--n⁺ diode with a corresponding silicon (Si) diode shows the higher switching performance of the 6H-SiC diode, while the forward power loss is somewhat higher than in Si due to the higher built-in voltage of the 6H-SiC p-n junction. This disadvantage can be avoided by a 6H-SiC Schottky diode. The on-resistances of Si, 3C-SiC, and 6H-SiC vertical power MOSFET's are compared by analytical calculations. At room temperature, such SiC MOSFET's can operate up to blocking capabilities of 5000 V with an on-resistance below 0.1 Ωcm², while Si MOSFET's are limited to below 500 V. This is checked by calculating the characteristics of a 6H-SiC 1200 V MOSFET with PISCES. In the voltage region below 200 V, Si is superior due to its higher mobility and lower threshold voltage. Electric fields in the order of 4×10⁶ V/cm occur in the gate oxide of the mentioned 6H-SiC MOSFET as well as in a field plate oxide used to passivate its planar junction. To investigate the high frequency performance of SiC devices, a heterobipolartransistor with a 6H-SiC emitter is considered. Base and collector are assumed to be out of 3C-SiC. Frequencies up to 10 GHz with a very high output power are obtained on the basis of analytical considerations     

采用场板和边缘终端技术的大电流Ni/4H-SiC SBDs

研究了4H-SiC低缺陷密度外延层的制造和Ni/SiC肖特基势垒二极管的正、反向电学特性。采用了偏8°4H-SiC衬底上台阶控制外延方法进行同质外延,外延温度1580℃,最后得到了低缺陷密度的3英寸外延片。采用了原子力显微镜和扫描电子显微镜进行了测试。在外延片上进行的Ni/4H-SiC肖特基势垒二极管的制造,采用了B+离子注入形成的一个非晶区域作为边缘终端,然后使用经过1000℃下退火10min的PECVD生长的SiO2作为场板介质。最终得到的Ni/4H-SiC肖特基势垒二极管的理想因子为1.03,势垒高度为1.6eV,在反向偏压1102V时,漏电流密度只有1.15×10-3A/cm2。在正向压降3.5V时得到了7.47A的大电流输出,特征导通电阻为6.22Ω.cm2。     

1200V/100A高温大电流4H-SiC JBS器件的研制

基于SiC结势垒肖特基(JBS)二极管工作原理及其电流/电场均衡分布理论,采用高温大电流单芯片设计技术及大尺寸芯片加工技术,研制了1 200 V/100 A高温大电流4H-SiCJBS二极管.该器件采用优化的材料结构、有源区结构和终端结构,有效提高了器件的载流子输运能力.测试结果表明,当正向导通压降为1.60 V时,其正向电流密度达247 A/cm2(以芯片面积计算).在测试温度25和200℃时,当正向电流为100 A时,正向导通压降分别为1.64和2.50 V;当反向电压为1 200 V时,反向漏电流分别小于50和200μA.动态特性测试结果表明,器件的反向恢复特性良好.器件均通过100次温度循环、168 h的高温高湿高反偏(H3TRB)和高温反偏可靠性试验,显示出优良的鲁棒性.器件的成品率达70％以上.     

4H-SiC SBD和JBS退火研究

在4H-SiC外延材料上制备了SBD和JBS器件,研究并分析了退火温度对这两种器件正反向特性的影响。结果表明,低于350℃退火可同时提高SBD和JBS的正反向特性。当退火温度高于350℃时,二者的正向特性都出现退化,SBD退化较JBS更为严重。JBS阻断电压随退火温度升高而增大,在退火温度高于450℃时增加趋势变缓。SBD阻断电压随退火温度升高先升后降,在500℃退火时达到一个最大值。可见一定程度的退火有助于提高4H-SiCSBD和JBS器件的正反向特性,但须考虑其对正反向特性的不同影响。综合而言,退火优化后JBS优于SBD器件性能。     

3 A/40 V新型肖特基势垒二极管的设计与研制

为提高传统肖特基二极管的击穿电压,减小了器件的漏电流,提高芯片利用率,文中设计研制了适合于裸片封装的新型肖特基势垒二极管(SBD)。利用Silvaco Tcad软件模拟,在器件之间采用PN结隔离,器件周围设计了离子注入形成的保护环,实现了在浓度和厚度分别为7.5×1012 cm-3和5 μm的外延层上,制作出了反向击穿电压45 V和正向导通压降0.45 V的3 A/45 V肖特基二极管,实验和仿真结果基本吻合。此外,还开发了改进SBD结构、提高其电特性的工艺流程。     

SiC power diodes provide breakthrough performance for a wide rangeof applications

The electrical performance of silicon carbide (SiC) power diodes is evaluated and compared to that of commercially available silicon (Si) diodes in the voltage range from 600 V through 5000 V. The comparisons include the on-state characteristics, the reverse recovery characteristics, and power converter efficiency and electromagnetic interference (EMI). It is shown that a newly developed 1500-V SiC merged PiN Schottky (MPS) diode has significant performance advantages over Si diodes optimized for various voltages in the range of 600 V through 1500 V. It is also shown that a newly developed 5000 V SiC PiN diode has significant performance advantages over Si diodes optimized for various voltages in the range of 2000 V through 5000 V. In a test case power converter, replacing the best 600 V Si diodes available with the 1500 V SiC MPS diode results in an increase of power supply efficiency from 82% to 88% for switching at 186 kHz, and a reduction in EMI emissions