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SiC功率器件的主要特點(diǎn)

國(guó)晶微第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC ? 來(lái)源:國(guó)晶微第三代半導(dǎo)體碳化 ? 作者:國(guó)晶微第三代半導(dǎo) ? 2022-11-02 15:04 ? 次閱讀
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碳化硅(SiC)功率器件在高擊穿電壓、低功耗和快速開(kāi)關(guān)方面明顯優(yōu)于成熟的硅(Si)器件。本文簡(jiǎn)要介紹了SiC功率器件的主要特點(diǎn),然后介紹了SiC pn結(jié)擊穿現(xiàn)象的研究工作以及考慮能帶結(jié)構(gòu)的相關(guān)討論。接下來(lái),介紹了SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(最重要的單極器件)的最新進(jìn)展,重點(diǎn)是SiO上通道遷移率的改善2/碳化硅接口。介紹了用于超高壓(>10 kV)應(yīng)用的SiC雙極器件的開(kāi)發(fā),例如引腳二極管和絕緣柵雙極晶體管,并展示了提高載流子壽命的效果。還描述了大規(guī)模生產(chǎn)的現(xiàn)狀以及SiC功率器件如何為節(jié)能做出貢獻(xiàn)。

關(guān)于晶體結(jié)構(gòu),SiC可以以許多(超過(guò)100種)不同的形式結(jié)晶,稱(chēng)為“多型”,其中Si-C對(duì)沿一個(gè)方向的堆疊序列因不同的多型而異。21)對(duì)于電子應(yīng)用,我們必須確定最合適的SiC多型,并且必須生長(zhǎng)出高質(zhì)量和大的單晶,不含外來(lái)多型的夾雜物。SiC的早期發(fā)展致力于SiC體積和外延生長(zhǎng)中的多型控制。22)在1990年代初期,專(zhuān)門(mén)研究了3C-SiC(立方相)和6H-SiC(六方相),第一個(gè)1 kV SiC肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)是用6H-SiC制造的。23)1994年,人們發(fā)現(xiàn)4H-SiC多型(另一個(gè)六方相)遠(yuǎn)優(yōu)于3C-SiC和6H-SiC,具有更高的電子遷移率和更寬的帶隙。24–26)在這一發(fā)現(xiàn)之后,4H-SiC已被專(zhuān)門(mén)研究和生產(chǎn)用于功率器件應(yīng)用。8)在本文中,為簡(jiǎn)單起見(jiàn),4H-SiC表示為SiC。

基于以日本、美國(guó)和歐洲為中心對(duì)生長(zhǎng)、材料特性和器件加工技術(shù)的廣泛研究,SiC SBD和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的生產(chǎn)已經(jīng)開(kāi)始。然而,SiC功率MOSFET的性能仍遠(yuǎn)未達(dá)到材料的全部潛力。此外,許多重要的內(nèi)在特性和缺陷的性質(zhì)是未知的。對(duì)SiC中載流子傳輸、載流子復(fù)合和擊穿現(xiàn)象的物理理解也很差。這種材料獨(dú)特的六方晶體結(jié)構(gòu)、寬帶隙和復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)使得表征物理性質(zhì)和適當(dāng)解釋采集的數(shù)據(jù)變得非常困難。由于材料的高機(jī)械硬度和化學(xué)惰性,制備適當(dāng)?shù)臉悠方Y(jié)構(gòu)或器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征也很困難。

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SiC功率器件的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。圖例.1.1.數(shù)字圖1(a)1(a)和(b)分別顯示了肖特基二極管和PN二極管(通常稱(chēng)為“PN二極管”),其中金屬陽(yáng)極或p陽(yáng)極形成在相對(duì)較厚的n層(電壓阻斷區(qū))上,該n層通過(guò)其歐姆接觸連接到底部低電阻率n基板。當(dāng)正電壓施加到陽(yáng)極時(shí),這些二極管必須允許電流以低導(dǎo)通電阻平穩(wěn)流動(dòng)(正向偏置條件),而當(dāng)負(fù)電壓施加到陽(yáng)極時(shí),它們必須完全阻斷電流(反向偏置條件)。當(dāng)施加高負(fù)電壓時(shí),為了完全阻斷硅基二極管中的電流,需要相對(duì)較厚的n層將二極管內(nèi)的電場(chǎng)降低到其臨界值以下,以防止擊穿現(xiàn)象(或電流的發(fā)生)。在反向偏置下?lián)舸r(shí),Si二極管內(nèi)的電場(chǎng)如圖中的藍(lán)色三角形所示。+++圖22作為與結(jié)點(diǎn)距離的函數(shù),即陽(yáng)極和n層之間的界面。對(duì)于SiC二極管來(lái)說(shuō),情況則完全不同,因?yàn)镾iC維持的電場(chǎng)(擊穿場(chǎng)或臨界電場(chǎng))要高得多,大約是Si的十倍。因此,SiC二極管中的n層可以是Si二極管的十倍左右,以實(shí)現(xiàn)相同的擊穿電壓,如圖中的紅色三角形所示。圖例.2.2.這里是圖中直角三角形的面積。圖22對(duì)應(yīng)于擊穿電壓。此外,n層的摻雜密度與圖中圖的斜率成正比。圖2,2,使用SiC可以增加100倍。由于n層更薄且摻雜量更大,在給定擊穿電壓下,SiC器件的n層電阻比Si器件低約400-800倍。這就是為什么SiC器件表現(xiàn)出低得多的導(dǎo)通電阻(導(dǎo)通電阻)的主要原因,從而在器件運(yùn)行期間顯著降低焦耳熱。

通常,功率器件必須在關(guān)斷狀態(tài)下維持相當(dāng)高的電壓。在反向偏置二極管和關(guān)斷晶體管中,電流通常保持得可以忽略不計(jì),但如果施加的電壓超過(guò)所謂的擊穿電壓,電流就會(huì)增加到相當(dāng)大的水平。對(duì)于輕摻雜半導(dǎo)體,這種擊穿過(guò)程是由載流子的雪崩現(xiàn)象引起的,而在重?fù)诫s材料中,它是由齊納隧穿過(guò)程引起的。為了闡明SiC中的這些擊穿過(guò)程,對(duì)各種pn二極管進(jìn)行了系統(tǒng)研究,如下所述。請(qǐng)注意,SiC能帶結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和各向異性方面以及位錯(cuò)可能會(huì)影響擊穿過(guò)程。

在功率器件中,MOSFET和SBD等單極器件是理想的,因?yàn)閱螛O器件具有快速和低損耗的開(kāi)關(guān)特性,并且更容易制造。在單極器件中,n層(漂移層或阻斷層)的電阻由厚度和供體密度決定,因?yàn)橹挥杏幸鈸诫s的供體提供的電子才會(huì)產(chǎn)生電流。然而,當(dāng)擊穿電壓設(shè)計(jì)為超過(guò)一定值時(shí),n層電阻(漂移電阻)變得高得令人無(wú)法接受,這在圖中顯示為材料極限。圖例.3.3.在硅功率器件中,n層電阻變得非常高(>50 mΩcm2)當(dāng)擊穿電壓高于600–800 V時(shí)。對(duì)于高壓器件,利用從p區(qū)到厚n層的少數(shù)載流子注入(雙極性操作),這導(dǎo)致n層電阻的顯著降低,因?yàn)殡娮雍涂昭ǖ拿芏榷几哂诠w密度,都會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生影響。因此,IGBT等雙極器件用于高壓應(yīng)用。

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硅功率器件的一個(gè)固有限制是超高壓阻斷能力。當(dāng)擊穿電壓超過(guò)10 kV時(shí),n層所需的厚度和供體密度變?yōu)榧s1.2 mm和1×1013厘米?3分別。這種晶片難以生產(chǎn),所需的供體密度接近120°C時(shí)Si的固有載流子密度。與硅相比,超高壓SiC器件的制造要容易得多,因?yàn)榕R界電場(chǎng)高出約十倍。例如,10 kV SiC器件所需的n層的厚度和供體密度約為80μm和8×1014厘米?3分別。然而,即使使用SiC,這種厚且輕摻雜的n層的電阻對(duì)于這種超高壓?jiǎn)螛O器件也會(huì)變得很高。因此,SiC雙極器件對(duì)10 kV(或更高)應(yīng)用具有吸引力。

碳化硅功率器件的應(yīng)用!

通過(guò)SiC材料和器件技術(shù)的快速進(jìn)步,SiC器件因其高性能和可靠性而成為寬帶隙半導(dǎo)體功率器件中最成熟的。數(shù)字圖2424原理圖顯示了Si、SiC、GaN和Ga器件阻斷電壓方面的主要應(yīng)用范圍2O3功率開(kāi)關(guān)器件(未顯示二極管)。關(guān)于硅功率器件,功率MOSFET主要采用在800 V以下的阻斷電壓范圍內(nèi),而IGBT則在高于600 V的電壓范圍內(nèi)使用。28)硅晶閘管主要在非常高的電壓范圍內(nèi)使用。預(yù)計(jì)SiC功率MOSFET將取代阻斷電壓范圍為600至6500 V的Si器件,因?yàn)樗鼈兙哂械蛯?dǎo)通電阻和快速開(kāi)關(guān)。然而,低于500 V,SiC器件將很難與Si競(jìng)爭(zhēng),因?yàn)檫@種低電壓范圍內(nèi)的Si功率MOSFET表現(xiàn)出高性能,并且通常與柵極驅(qū)動(dòng)電路和傳感器集成在一起。SiC IGBT在5-8 kV以上的極高阻斷電壓范圍內(nèi)很有前景。

無(wú)錫國(guó)晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè),從事碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管,碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷(xiāo)售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計(jì)配套服務(wù),總部位于江蘇省無(wú)錫市高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi),并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷(xiāo)售服務(wù)支持中心及辦事處。

公司具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)實(shí)力,專(zhuān)注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質(zhì)穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產(chǎn)品,同時(shí)提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持服務(wù),使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠,并具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。

公司的碳化硅功率器件涵蓋650V/2A-100A,1200V/2A-90A,1700V/5A-80A等系列,產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn),產(chǎn)品完全可以對(duì)標(biāo)國(guó)際品牌同行的先進(jìn)品質(zhì)及水平。先后推出全電流電壓等級(jí)碳化硅肖特基二極管、通過(guò)工業(yè)級(jí)、車(chē)規(guī)級(jí)可靠性測(cè)試的碳化硅MOSFET系列產(chǎn)品,性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,應(yīng)用于太陽(yáng)能逆變電源、新能源電動(dòng)汽車(chē)及充電樁、智能電網(wǎng)、高頻電焊、軌道交通、工業(yè)控制特種電源、國(guó)防軍工等領(lǐng)域。由于其具有高速開(kāi)關(guān)和低導(dǎo)通電阻的特性,即使在高溫條件下也能體現(xiàn)優(yōu)異的電氣特性,大幅降低開(kāi)關(guān)損耗,使元器件更小型化及輕量化,效能更高效,提高系統(tǒng)整體可靠性,可使電動(dòng)汽車(chē)在續(xù)航里程提升10%,整車(chē)重量降低5%左右,并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)用充電樁的高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

特別在高低壓光耦半導(dǎo)體技術(shù)方面更是擁有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。在國(guó)內(nèi)創(chuàng)先設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了28nm光敏光柵開(kāi)關(guān)PVG芯片技術(shù),并成功量產(chǎn)應(yīng)用于60V、400V、600V高低壓、低內(nèi)阻、低電容的光電耦合繼電器芯片、涵蓋1500kVrms SOP超小封裝及3750kVrms隔離增強(qiáng)型常規(guī)SMD、DIP等不同封裝,單路、雙路、混合雙路、常開(kāi)常閉等電路產(chǎn)品,另包括200V SOI MOS/LIGBT集成芯片、100V CMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit單片機(jī)等集成電路產(chǎn)品,均獲得市場(chǎng)及各重點(diǎn)科研單位、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的新產(chǎn)品認(rèn)定。

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“國(guó)之重器,從晶出發(fā),自強(qiáng)自主,成就百年”是國(guó)晶微半導(dǎo)體的企業(yè)目標(biāo),我們?yōu)閱T工提供精彩的發(fā)展空間,為客戶提供精良的產(chǎn)品服務(wù),我們真誠(chéng)期待與您攜手共贏未來(lái)。

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:用于提高能效的高壓 SiC 功率器件!-國(guó)晶微半導(dǎo)體

文章出處:【微信號(hào):國(guó)晶微第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC,微信公眾號(hào):國(guó)晶微第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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    發(fā)表于 09-04 17:53

    DDR4 SDRAM控制器的主要特點(diǎn)

    設(shè)計(jì)和功能對(duì)于提升系統(tǒng)性能、降低功耗以及增強(qiáng)數(shù)據(jù)可靠性起著至關(guān)重要的作用。以下是對(duì)DDR4 SDRAM控制器主要特點(diǎn)的詳細(xì)分析,旨在覆蓋其關(guān)鍵功能、性能提升、技術(shù)優(yōu)化以及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)等方面。
    的頭像 發(fā)表于 09-04 12:55 ?1326次閱讀