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      碳化硅肖特基二极管的大功率应用优势及发展趋

      作者:海飞乐技术 时间:2018-05-23 17:30

      碳化硅肖特基二极管
        SIC SBD在大功率应用方面的最大优势在于近乎理想的动态特性。在反向恢复瞬态,当二极管从正向导通模式转变为反向阻断模式时,研究表明有很低的反向恢复时间,而且在整个工作温度范围内保持不变。这是由于,SIC SBD是单极器件,没有少数载流子注入和自由电荷的存储。在恢复瞬态,所涉及的电荷只有结耗尽区电荷,而且它比相同结构的Si器件结耗尽区电荷至少小一个数量级。这对于要求工作于高阻断电压或高温条件的器件非常有利。

        这种特性实现了功率电子器件的突破,解决了高频电子应用中,二极管速度限制整个电路性能的主要瓶颈。商业化的SIC SBD已应用于高频开关电源、功率因数校正和电机驱动等领域。当与现有最好的功率MOSFET结合使用时,开关频率可以高达400kHz,并有望实现高于1MHz的频率,这已经远远大于600V器件的100kHz的开关频率了。
        除了在功率电子系统中的应用外,SIC SBD还用在其他领域,如制作气敏传感器、微波和超紫外光探测器。由于SIC的宽禁带和在高辐射和高温环境(高于500℃)优越的稳定性,使其在这些领域应用中具有独特优势。

        近年来,SIC SBD研制出控制能力大于10kV或电流大于100A的器件。商用的SIC SBD在高端功率应用中也表现出比现有Si快速恢复二极管异常优越的特性。现有的商用器件仅限于额定值为1.2kV、20A的器件。

        所以,研究具有高电压和电流控制能力的SIC SBD将是实验室和商业公司追求的目标。在相对高的功率电子应用中,当商用器件控制能力达到3~5kV以上时,才能明显发挥系统的优势。

        为了实现击穿电压为3~5kV的SIC SBD商业生产,首先面临的一个挑战就是如何实现重复性高的可靠性终端技术,使其能提供高电场、简单的制造工艺和低的漏电流。不同终端技术在获得高阻断电压中的应用,这些方法大部分包括离子注入过程,这将增加漏电流,降低可靠性。对于终端技术,由离子注入引起的晶格损伤或注入方法需要解决,这样才能达到所需的要求。另外,要实现具有低漏电流和长期高可靠性的高耐压器件,采用合适的钝化工艺非常关键。

        SIC SBD发展的另一个关键挑战是SIC衬底和外延层的质量,这也是持续发展SIC器件的基础。虽然近几年SIC衬底和外延层质量已经得到明显提高,但仍然需要具有更低缺陷密度和更高质量的大尺寸SIC晶圆。有报道称,通过重复单面生长工艺(RAF)可以制备超高质量的SIC衬底,具有零微管密度、腐蚀坑密度比现有最好材料低2~3个数量级的2英寸SIC衬底晶圆正在研制中,这是单晶SIC材料的一个重要发展。进一步可以预计,制备具有市场竞争力的更大尺寸(3英寸、4英寸或更大)晶圆,将促使SIC器件在未来有更好的发展和应用。

        高端功率电子应用中,如服务器和通信电源,虽然SIC SBD已经可以与现有Si器件竞争,但相当高的产品价格已经成为制约其在消费市场(如PC电源)广泛使用的主要障碍。SIC器件成本高的主要原因是由于基本材料成本比Si高很多。随着晶圆尺寸的不断增加,单个器件的平均成本也将降低。现在商业的3英寸衬底已经可以制备,这将比广泛应用的2英寸衬底成本有很大优势。这是因为,与2英寸晶圆相比,它可以增加器件产量,而且工艺设备的选择性也更大。许多先进的自动化4英寸Si器件生产设备可以改建以满足高重复性、低制造缺陷密度和高可靠性的3英寸SIC晶圆要求。对于大SIC晶圆,也可以大量生产高传导电流能力的器件。不久的将来,具有数百安培电流控制能力的SIC SBD将会实现。

        SIC SBD特有的市场是高温电子市场,因为它可以在高压和高温条件下可靠工作。SIC SBD可以工作于200℃的环境,但在更高温度(>200℃)中应用受到现有封装工艺的限制。现有商业化SIC SBD的额定温度为175℃。实现一种可行、并能在高于200℃环境下工作的低成本封装技术已经成为SIC SBD在高温、大功率应用中的主要挑战。

       
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