黃京才，白朝輝

（西安衛(wèi)光科技有限公司，陜西西安 710065）

0 引言

目前，以硅器件為基礎(chǔ)的電力電子器件的性能已隨其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的相當(dāng)完善而接近其由材料特性決定的理論極限，依靠硅器件繼續(xù)完善和提高電力電子裝置與系統(tǒng)性能的潛力已十分有限。

以SiC，GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，是繼以硅和砷化鎵為代表的第一代、第二代半導(dǎo)體材料之后迅速發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體材料。表1列出了不同半導(dǎo)體材料的特性對比［1］。

表1 不同半導(dǎo)體材料的特性對比

從表中可以看出，它們具有以下特點(diǎn):（1）熱導(dǎo)率高，工作溫度可以達(dá)到600℃，從而器件的冷卻系統(tǒng)可大為簡化，其中SiC為4.9 W/cm·℃，優(yōu)勢更加明顯;SiC熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大多數(shù)半導(dǎo)體，室溫時(shí)幾乎高于所有金屬;莫氏硬度高于GaAs和Si，達(dá)到9級，僅次于金剛石;便于器件工藝流片和實(shí)施高密度大功率集成;（2）電子飽和漂移速度高，適于微波頻段工作;（3）擊穿電場高，能夠?qū)崿F(xiàn)高工作電壓;（4）禁帶寬度寬，本征載流子濃度低，4H-SiC為8.2×10-9/cm3，GaN為1.9×10-10/cm3，便于管芯隔離;（5）抗輻照能力比GaAs和Si強(qiáng)1～2個數(shù)量級，另外開關(guān)損耗低1～2個數(shù)量級。SiC材料的寬禁帶和高溫穩(wěn)定性使得其在高溫半導(dǎo)體器件方面有無可比擬的優(yōu)勢。

1 國際發(fā)展

從20世紀(jì)90年代起，美國國防部（DOD，department of defense）就開始支持SiC功率器件研究，SiC功率器件樣品相繼問世。1987年以SiC材料和器件為研究方向Cree公司由美國國防部資助成立為海軍和空軍裝備作預(yù)先研究，從此SiC材料和電子器件進(jìn)入飛速發(fā)展的新階段［2］。

SiC器件的發(fā)展是伴隨著SiC單晶襯底材料的發(fā)展而進(jìn)行的。近年來，SiC材料微孔問題已基本解決，單晶材料的尺寸不斷增大，主流產(chǎn)品已經(jīng)從兩英寸過渡到三英寸和四英寸片。2010年8月Cree公司展示了其新成果，150 mm（6英寸）的SiC襯底片，每平方厘米微孔密度小于10個。

功率二極管是功率半導(dǎo)體器件的重要分支，主要包括肖特基勢壘二極管（SBD，schottky barrier diode），PiN二極管和結(jié)勢壘肖特基二極管（JBS，junction barrier schottky diode）。

1987年Shiahara等人通過CVD技術(shù)研制出第一只6H-SiC二極管，當(dāng)時(shí)的擊穿電壓在600 V左右。20世紀(jì)初，L.G.Matus等人通過CVD技術(shù)在6H-SiC襯底上淀積P型、N型6H-SiC，制成耐壓1 000 V，工作溫度600℃的pn結(jié)二極管。由于SiC的pn結(jié)自建電勢差較大，導(dǎo)致導(dǎo)通壓降升高。為了解決這一問題，人們采用肖特基結(jié)來代替pn結(jié)。

目前，商業(yè)化的SiC器件主要是肖特基二極管，美國的Cree公司和德國Infineon公司（西門子集團(tuán)）都已有耐壓600 V，電流10 A或12 A以下的碳化硅肖特基勢壘二極管系列產(chǎn)品出售。

1992年，美國北卡州立大學(xué)功率半導(dǎo)體研究中心最先報(bào)道了全世界首次研制成功6H-SiC肖特基勢壘二極管，其阻斷電壓 400 V［3］。

2001年，德國Infineo公司在業(yè)界生產(chǎn)出600 V、4 A和300 V、10 A的SiC肖特基二極管，SiC SBD開始商業(yè)化。美國Semisouth公司研制的100 A、600 V、300℃工作的 SiC SBD器件已應(yīng)用于美國空軍多電飛機(jī)（MEA，more electric aircraft）。2003年美國Rutgers大學(xué)研制出阻斷電壓10.8 kV，導(dǎo)通電阻97 mΩ·cm2SiC SBD二極管［4］。日本東芝公司在2008年報(bào)道了接近4H-SiC材料極限水平的 Super-SBD［5］，該器件采用浮空結(jié)技術(shù)獲得2.57 mΩ·cm2超低導(dǎo)通電阻和2.7 kV阻斷電壓，品質(zhì)因子為2.837 MW/cm。2009年2月美國Cree公司與Powerex公司開發(fā)出了雙開關(guān)1 200 V、100 A的SiC功率模塊。其由耐高壓和大電流的SiC的MOS場效應(yīng)晶體管和SiC肖特基二極管組成。德國Infineo公司2009年3月推出了第三代薄型SiC肖特基二極管。據(jù)日本三菱公司的試驗(yàn)表明，電力變換器中使用的硅基耐壓600 V快速恢復(fù)二極管和IGBT。如果用SiC SBD（肖特基勢壘二極管）和 MOSFET管代替，功耗可降50%，甚至70%。SiC的工作環(huán)境可穩(wěn)定地提高至300℃，而硅不超過200℃。因此可減少散熱器或不用散熱器。

由于高壓下SiC的肖特基勢壘比較薄，進(jìn)一步提高肖特基二極管的阻斷電壓就會受到遂穿勢壘反向漏電流的限制，因此對于3 kV以上的整流器應(yīng)用領(lǐng)域，SiC PiN二極管更具優(yōu)勢。除更高的擊穿電壓外，SiC PiN二極管還具有更快的開關(guān)速度、更小的體積和更輕的重量。

瑞典 KTH、Royal Institute of Technology報(bào)道［6］，1995 年研制成高擊穿6H-SiC PiN二極管，擊穿電壓為4.5 kV。Cree公司在85 μm厚的SiC外延層上制作了5 900 V SiC PIN二極管，正向壓降在100 A/cm2的電流密度下為4.2 V，5 500 VSiC PiN二極管的反向恢復(fù)電流僅為350 nA。美國RPI（Rensse Laer Polytechnic Institute）在40 μm厚的SiC外延層上實(shí)現(xiàn)了4 500 V SiC PiN二極管，正向壓降在100 A/cm2的電流密度下為4.2 V。2000年日本的Sugawara研究室和Cree公司研制出12 kV和19.5 kV的臺面型PiN二極管［10］。對于19.5 kV的SiC PiN二極管，其正向壓降在電流密度100 A/cm2下為7.5 V，擊穿時(shí)的泄漏電流密度為3 mA/cm2;反向恢復(fù)時(shí)間小于43 ns，只有商業(yè)化6 kV Si快恢復(fù)二極管的1/30。2005年Cree公司報(bào)道了10 kV，3.75 V，50 A（8.7 mm×8.7 mm2）SiC PiN二極管，其10 kV/20 A PiN二極管系列的合格率已經(jīng)達(dá)到40%。

在高工作頻率下，SiC PiN二極管反向恢復(fù)時(shí)能量損耗比較大，因此SiC JBS二極管就很有吸引力。JBS器件在正偏置時(shí)，肖特基勢壘因勢壘低先進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，起主要作用;但反偏時(shí)，pn結(jié)在高反壓下耗盡區(qū)迅速擴(kuò)展，為肖特基勢壘屏蔽電場，從而使反向漏電大幅度下降，因此JBS既具有肖特基二極管優(yōu)良的開關(guān)特性，又有接近PiN二極管的高阻斷能力。2007年Cree公司報(bào)道了10 kV/20 A的SiC JBS二極管，芯片尺寸為14.9×10.6 mm2，在3inch N型4H-SiC晶圓上的合格率為37%，10 kV/5A SiC JBS的合格率超過40%。

2 國內(nèi)發(fā)展

國內(nèi)寬禁帶半導(dǎo)體微波功率器件的研究始于20世紀(jì)末，對于SiC材料的研究，中科院硅酸鹽所開展的相當(dāng)早，而寬禁帶電子器件中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所起步較早。經(jīng)過最初幾年的摸索，已積累了一定的材料與器件制作經(jīng)驗(yàn)。

2004年，“973”國家重大基礎(chǔ)項(xiàng)目研究”中有關(guān)寬禁帶半導(dǎo)體的研究工作正式啟動，國家大量人力與物力的支持極大地提高了國內(nèi)寬禁帶半導(dǎo)體微波功率器件研制水平，其中高校（西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、北京大學(xué)、山東大學(xué)、浙江大學(xué)等）側(cè)重于材料及器件理論、模擬研究，研究所（中電13所、46所、55所、中科院半導(dǎo)體所、微電子所等）側(cè)重于材料及器件的制備。

在材料研究方面，西安電子科技大學(xué)已研制出GaN、Ga-NAl等材料生長用MOCVD設(shè)備，獲國家科技進(jìn)步二等獎，用該設(shè)備已生長出合格的GaN、GaNAl等材料，并且用該材料研制出合格的器件。最近，學(xué)校又獲得國家資助研制SiC外延生長設(shè)備。

在SiC器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在國際上首先提出二項(xiàng)新理論:寬禁帶半導(dǎo)體器件優(yōu)值理論和寬禁帶半導(dǎo)體功率雙極型晶體管特性理論［7］，獲得眾多國際知名學(xué)者認(rèn)同及引用。

在SiC整流器方面，各個研究所和高校，包括中電13所、55所、西安電子科大、電子科大等都研制出600 V～1 200 V的SiC SBD試樣品，為SiC器件的發(fā)展和應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 未來發(fā)展趨勢

目前由于SiC功率整流器結(jié)構(gòu)相對簡單，特別是SiC SBD器件已經(jīng)比較成熟，因此針對國內(nèi)SiC器件研究水平，應(yīng)優(yōu)先大力發(fā)展SiC整流器（包括:SBD、JBS、PiN），從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和耐壓機(jī)理分析入手，一方面是對已有器件繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，使其能滿足軍事和商業(yè)應(yīng)用;另一方面繼續(xù)開發(fā)更低導(dǎo)通壓降，更小芯片面積和更高工作溫度的器件，加快國內(nèi)SiC整流器實(shí)用化進(jìn)程。

［1］王守國，張巖.SiC材料及器件的應(yīng)用發(fā)展前景［J］.自然雜志，2011，3（1）:42-53.

［2］李晉閩.SiC材料及器件研制的進(jìn)展［J］.物理，2000（29）:481-488.

［3］Bhatnager M，Baliga B.J.Silicon-Carbide High-Voltage（400V）Schottky Barrier Diodes［J］.IEEE Electron Device Letters，1992，13（10）:501-503.

［4］Zhao J.H，Alexandrov P，Li X.Demonstrati on of the First 10-kV 4H-SiC Schottky Barrier Diodes［J］.IEEE Electron Device Letters，2003，24（6）:402-404.

［5］Nishio J，Ota C，Shinohe T，et al.Ultralow-Loss SiC Floating Junction Schottky Barrier Diodes（Super-SBDs）［J］.IEEE Electron Device，2008，55（8）:1954-1960.

［6］盛柏楨，程文芳.碳化硅器件及其應(yīng)用［J］.電子元器件應(yīng)用，2001，3（5）:19-28.

［7］Alex Q.Huang，Bo Zhang.The Future of Bipolar Power Transistor［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，2001，48（11）:2535-2543.