碳化硅肖特基二極管的設計與優(yōu)化！

    碳化硅肖特基二極管（SiC）具有寬頻帶、高熱導率等固有的材料特性，在中高壓功率半導體器件制造中得到了廣泛的應用。

    肖特基二極管、MOSFET和JFET是目前市場上***的SiC功率器件，尤其是SiC肖特基二極管，自本世紀初商業(yè)化以來已經(jīng)有近20年的成熟應用經(jīng)驗。最早的SiC肖特基二極管采用純肖特基勢壘二極管（SBD）結(jié)構，后來發(fā)展成具有低反向漏電流的結(jié)勢壘肖特基（JBS）結(jié)構，最新的結(jié)構被稱為合并PN肖特基（MPS）結(jié)構，具有大幅度提高的浪涌電流處理能力。

    基于100mmSiC晶片的650VSiCMPS二極管，并于2017年發(fā)布了基于150mm高質(zhì)量SiC晶片的650VSiCMPS二極管。今年早些時候，基于成熟的150mm晶圓技術，推出了1200VSiCMPS二極管和AEC-Q101合格的650V汽車SiCMPS二極管。

    本文將首先討論SiC功率器件具有優(yōu)異性能的原因，然后介紹SiC產(chǎn)品的設計過程。最后介紹了具有超低反向恢復電荷（Qrr）特性的sicmps二極管。

    為什么SiC碳化硅功率芯片更??？

    功率芯片的尺寸直接由單位面積的導通電阻決定，而導通電阻主要由作為功能層的外延層的電阻決定。為了減小器件的導通電阻，有必要增加外延層中的摻雜濃度（即降低電阻率）或減小外延層的厚度，但這也會導致?lián)舸╇妷旱慕档?。這意味著芯片設計者必須權衡導通電阻和擊穿電壓。

    器件的擊穿電壓與擊穿電場的平方（VB∞b2）成正比。由于具有比硅高近10倍的擊穿電場，SiC器件表現(xiàn)出比硅器件更“友好”（即電阻更低）的外延層規(guī)格范圍，以實現(xiàn)相同的擊穿電壓額定值。以600V肖特基二極管為例，5um厚、1016cm-3摻雜濃度的外延層對SiC二極管來說是足夠的。但對于硅二極管，外延層規(guī)格的要求要“更嚴格”（即更高的電阻），至少需要50μm的厚度和1015cm-3的摻雜濃度。毫無疑問，要避免外延層電阻的進一步增大，**的辦法就是擴大芯片尺寸。因此，由于具有很強的正向電流傳導能力，SiC功率器件可以設計成更小的芯片尺寸。

    為什么SiC功率芯片在高溫下性能更好？

    Si的本征載流子濃度約為1010cm-3，而SiC的本征載流子濃度僅為10-9cm-3，這兩個值都是在室溫下獲得的。本征載流子濃度最顯著的特征是，當溫度線性升高時，本征載流子濃度呈指數(shù)增長?？梢钥闯觯斀Y(jié)溫達到200℃時，硅的本征載流子濃度將超過1014cm-3，與正常PN結(jié)濃度相當，這往往導致工作硅器件的不可逆失效。由于具有超低的本征載流子濃度，SiC功率器件將安全地經(jīng)受更高的溫度，甚至超過600℃。

    這是SiC器件能夠承受高溫的主要原因。但由于包裝技術和應用的局限性，最常見的商用碳化硅產(chǎn)品在產(chǎn)品說明書中僅顯示最高結(jié)溫175℃。然而，由于熱導率是硅的三倍，SiC功率器件仍然具有更好的熱性能。

    為什么SiC二極管有更好的開關性能？

    我們在市場上討論的SiC二極管大多是肖特基二極管。作為單極性器件，肖特基二極管的反向恢復時間接近于零，這意味著硅肖特基二極管也具有類似的性能。但是正如我們之前提到的，高壓Si肖特基二極管也會表現(xiàn)出巨大的通電阻，這限制了商用Si肖特基二極管的電壓額定值在200V以下，而SiC則長期向市場投放650V/1200V/1700VSiC肖特基二極管。

    傳統(tǒng)的高壓硅二極管是PiN二極管，采用高電阻率和厚外延層來承受高反向電壓。從P區(qū)注入少數(shù)載流子（即電導調(diào)制）可以降低導通電阻，這是獲得高壓硅二極管的常用設計。但是這種PiN型二極管需要花費額外的時間來去除少數(shù)載流子，并在器件關閉時產(chǎn)生反向恢復電流。更糟的是，由于少數(shù)載流子的特性，當溫度升高時，反向電流會變大。

    由于肖特基結(jié)構的性質(zhì)，SiC二極管的反向恢復行為與溫度無關?？傊?，由于其優(yōu)越的物理性能，肖特基結(jié)構可用于高壓SiC二極管的設計，從而使SiC二極管具有更好的開關性能。