２０１４年第４期 文章编号：１６７４—４５７８（２０１４）０４—００９３．０２ 山西电子技术 综 述 ＳｉＣ整流器件发展现状及展望 耿凯鸽 （西安卫光科技有限公司，陕西西安７１００６５） 摘要：阐述了碳化硅（ＳｉＣ）材料的优异特性，并在此基础上，针对目前处于商业化热点的ＳｉＣ整流器件，进行 了重点介绍，分析了国内外发展现状，并对未来发展趋势做出展望。 关键词：宽禁带半导体；碳化硅；整流器件 中图分类号：ＴＮ３０４．２４ 文献标识码：Ａ 以碳化硅（ＳｉＣ）为代表的宽禁带半导体材料，被称为第 三代半导体材料，与分别以硅（Ｓｉ）、砷化镓（ＧａＡｓ）为代表的 第一、第二代半导体材料相比，由于其更高的击穿电场、更高 的热导率、更高的电子迁移率和电子饱和漂移速度，而在高 温、高功率、高频以及抗辐射等恶劣应用条件中，更具发展潜 间、核爆或强电磁干扰的应用领域，ＳｉＣ器件可以抵御强大 的高能射线，其耐受能力远远超过ｓｉ器件。 以上诸多优点，使得ＳｉＣ材料特别适合于制造大功率半 导体器件，必然进一步推动电力电子技术的发展与应用，产 生更大的节能减排效益；尤其是在高性能和高可靠方面，将 力和竞争力，是半导体材料领域最具有前景的材料之～。 目前，ＳｉＣ整流器件的工艺技术最为成熟，且已出现商 业化产品应用，主要包含三种类型：ＰｉＮ二极管、肖特基二极 管（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉｏｄｅ，ＳＢＤ）、结势垒肖特基二极管（ｊｕｎｃ。 ｔｉｏｎ ｂａｒｒｉｅｒ Ｓｅｈｏｔｔｋｙ，ＪＢＳ）。 得到突破性提升。 ２ ＳｉＣ整流器件 在宽禁带半导体材料中，由于ＳｉＣ的工艺与传统ｓｉ器件 的兼容度高，而得到了较快的开发，尤其是ＳｉＣ整流器件的 工艺技术最为成熟，率先进入商业化阶段。 ２．１ ＳｉＣ ＰｉＮ二极管 ＰｉＮ二极管是在Ｐ型和Ｎ型半导体材料之间加入一薄 层低掺杂的本征（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）半导体层，组成Ｐ—ｉ．Ｎ结构；ｉ层 漂移区的存在和少子的电导体制效应，使得ＰｉＮ二极管有着 耐高压、低漏电、正向电流大、低导通损耗的优点。但由于 ＳｉＣ的击穿电场远大于Ｓｉ，因而在器件性能方面更具优势。 表１ ＳｉＣ与Ｓｉ器件的击穿电压、漂移区掺杂浓度和厚度对比表… Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｏｐｉｎｇ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ４Ｈ—ＳｉＣ Ｄｏｐｉｎｇ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ １ ＳｉＣ材料的优异特性 目前广泛采用的硅半导体器件经过近６０年的发展，性 能已经趋近其理论极限，难以再有突破性的提升，即将成为 制约未来高性能、高可靠器件进一步发展的瓶颈之一。要使 其性能和可靠性得到根本性的突破，必须在半导体基础材料 方面另辟蹊径。 随着ＳｉＣ外延生长技术的发展，晶片微管缺陷已下降到 １／ｃｍ ，为第三代半导体材料的研究和发展提供了重要契机。 与传统的ｓｉ材料相比，ＳｉＣ半导体材料具有以下突出优点： １）工作温度远远高于硅——ｓｉｃ的禁带宽度是ｓｉ的 （ｅｍ。） ５ｏ０ Ｖ ｌ ０００ Ｖ ２ ０（）ｏ Ｖ （ｍｉｃｒｏｎｓ） ３６ ８１ １８３ （ｃｍ。） １×１０１７ ４×１０１６ １６×１０ ．（ｍｉｃｒｏｎｓ） ２．２ ５．３ １２ ５×１０ｊ ２×１０ ８×１０。３ ２．９倍（３．２５ ｅＶ／１．１２ ｅＶ），相应的本征温度可高达８００ ， ＳｉＣ器件的最高工作温度能达到６００℃，甚至在工作时不需 要散热器，而Ｓｉ器件的最高工作温度不超过２００℃； ２）击穿电场远远大于硅——在同等掺杂水平条件下， ＳｉＣ的击穿电场是硅的１０倍；意味着器件的工作电压可以由 ３ ００Ｏ Ｖ ５ ０ｏ０ Ｖ ５×１０１３ ２×１０１３ ２９４ ５３０ １×１０１６ ４．４×１０１５ ２０ ３５ 从表１可知，在相同反向耐压下，Ｓｉ ＰｉＮ二极管的掺杂 现在的数千伏提高到数万伏，甚至数十万伏； ３）导热率高于硅——ｓｉｃ的热导率是ｓｉ的３．３倍，因 此，在耗散相同功率的条件下，ＳｉＣ半导体芯片的实际温度 可以比Ｓｊ芯片低，因此具有更长的工作寿命； 浓度要低得多、ｉ漂移区厚得多，虽然满足了耐压要求，但低 掺杂的厚本征ｉ漂移区却增加了正向导通压降（ＶＦ）。对于 ＳｉＣ ＰｉＮ二极管，由于ＳｉＣ的击穿电场远大于ｓｉ，因而在相同 耐压下，ｉ层漂移区的掺杂浓度可以高很多、厚度也薄很多， ４）电子饱和漂移速度高于硅——ｓｉｃ的电子饱和漂移 速度是ｓｉ的２．５倍，因而在大电流下的通态压降低于硅器 件、开关速度高于硅器件； ５）ＳｉＣ半导体器件的抗辐照能力优于硅器件——在空 收稿日期：２０１４—０４—２８ 从而可以得到更低的正向压降，降低导通损耗。 ２．２ ｓｉｃ肖特基二极管 肖特基二极管是通过金属与低掺杂半导体接触、利用金 属和半导体的功函数差而形成，属于单极型（多子）器件，不 作者简介：耿凯鸽（１９８４一），男，河南洛阳人，工程师，现主要从事大功率半导体器件制造。 ９４ 山西电子技术 ２０１４矩 存在少数载流子的注入效应，也就不存在反向恢复过程，可 以说是零恢复时间；其高频、低功耗的优点，使之成为电力电 子领域中重要的整流器件。 对于ｓｉ材料的肖特基二极管，因其串联的漂移区电阻 续流二极管等领域。 在６００ Ｖ～３ ３００ Ｖ阻断电压范围，ＳｉＣ结势垒肖特基二 极管（ＪＢＳ）是较好的选择。２００７年，Ｃｒｅｅ公司报道了１０ ｋＶ／ ２０ Ａ的ＳｉＣ ＪＢＳ，芯片尺寸为１４．９×１０．６ ｍｍ２，在３英寸Ｎ 与器件耐压存在着２．５次方的矛盾关系，阻碍了肖特基二极 管的高压大电流应用，使得一般Ｓｉ肖特基二极管工作电压 在２００伏以下；且在工作温度方面，传统的ｓｉ肖特基二极管 不适合于在高温下工作（＞２００ ｏＣ）。ＳｉＣ肖特基二极管弥补 型４Ｈ—ＳｉＣ晶圆上的合格率为３７％，１０ ｋＶ／５ Ａ ＳｉＣ ＪＢＳ的合 格率超过４０％。 在３ ｋＶ以上的整流器应用领域，由于高压下ＳｉＣ肖特 基势垒比较薄，进一步提高肖特基二极管的阻断电压就会受 到隧穿势垒反向漏电流的限制，因此ＳｉＣ ＰｉＮ二极管更具高 了ｓｉ肖特基二极管的不足，它是高压快速与低功率损耗、耐 高温等优点相结合的理想器件，可以用低得多的漂移区获得 耐压优势，且还具有更快的开关速度，更小的体积、更轻的重 很高的击穿电压，并且能在６００ ｃｃ以上的高温下正常工作。 量。２０００年日本Ｓｕｇａｗａｒａ研究室和Ｃｒｅｅ公司研制出１２ ｋＶ ２．３ ＳｉＣ结势垒肖特基二极管 和１９．５ ｋＶ的台面型ＰｉＮ二极管。对于１９．５ ｋＶ的ＳｉＣ ＰｉＮ 为解决肖特基二极管的反向耐压低的问题，除采用ＳｉＣ 二极管，其正向压降在电流密度１００ Ａ／ｃｍ 下为７．５ Ｖ，击穿 新材料外，还开发了一种新型的ＳｉＣ结势垒肖特基二极管 时的泄露电流密度为３ ｍＡ／ｃｍ ，反向恢复时间小于４３ ｎｓ， （ＪＢＳ）。它很好地结合了肖特基二极管优越的开关特性和 只有商品化６ ｋＶ Ｓｉ快恢复二极管的１／３０。２００５年，Ｃｒｅｅ公 ＰｉＮ二极管高耐压、低漏电的特点。 司报道了１０ ｋＶ、３．７５ Ｖ、５０ Ａ（８．７×８．７ ｍｍ ）的ＳｉＣ ＰｉＮ二 肖特基势垒 肖特基势垒 极管，其１０ ｋＶ／２０ Ａ ＰｉＮ二极管系列的合格率已达到４０％。 由于受限于ＳｉＣ单晶材料和外延设备，国内在ＳｉＣ方面 ｒ—————— 的实验研究起步较晚，于２００４年“９７３国家重大基础项目研 ｌ Ｎ 衬底 ＩＩ Ｎ 衬底 Ｉ 究”发展计划中正式启动，国内绝大部分企业、高校及研究院 ｚ ｚ ｚ 乙 互２ ｚ五２ｚ ｚ ｚ 。 （ＪＢＳ正向） 。 。 （ＪＢＳ反向） 。所尚处于研发阶段。但令人可喜的是，２０１４年２月２１日，泰 图１ ＪＢＳ结构及工作原理示葸图 科天润半导体科技（北京）有限公司宣布实现了ＳｉＣ肖特基 在正偏状态下，电流有多个沟道流过肖特基势垒，其工 二极管量产的巨大突破，产品涵盖６００ Ｖ～３ ３００ Ｖ中高压范 作原理相当于肖特基二极管；当反偏至一定电压时，ＰＮ结耗 围，其中６００ Ｖ／１０ Ａ、１ ２００ Ｖ／２０ Ａ等产品的成品率达到国际 尽区扩展进入电流通道，相互连接，肖特基势垒区被屏蔽，反 领先水平，６００ Ｖ／５０ Ａ、１ ２００ Ｖ／５０ Ａ实现量产突破，１ ７００ Ｖ／ 向电压完全由Ｐ—ｉ．Ｎ二极管来承担 Ｊ。该结构综合了ＰｉＮ １０ Ａ、３ ３００ Ｖ／５ Ａ产品也已经完成研发。 二极管和肖特基二极管的优点、克服了其各自的缺点，因此 ４未来发展趋势 具有高耐压、大电流密度、正向压降小、高温漏电小、启动电 半导体材料由ｓｉ到ＳｉＣ的转变，带来的将是器件性能的 压小、开关速度快等显著特点，能够在开关速度和软快恢复 飞跃提升，引发新一轮节能减排的绿色技术革命，而ＳｉＣ整 特性之间取得很好的折衷，是目前较理想的高频整流器件， 流器件因为结构相对简单、工艺相对成熟，已经担当起本次 尤其是ＳｉＣ材料基础上的ＪＢＳ结构成为研究的热点。 技术革命的排头兵。未来ＳｉＣ肖特基二极管将会取代ｓｉ的 ３国内外发展现状 ＰｉＮ二极管，ＳｉＣ ＰｉＮ二极管将会取代ｓｉ的大功率二极管硅 从全球ＳｉＣ研发及市场格局来看，美、欧、日本捷足先 堆；ＳｉＣ双极型器件、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等量产时代也将悄然走 登，２０００年以后陆续推出ＳｉＣ整流器件的商业化产品。ＳｉＣ 来。且随着ＳｉＣ材料及技术工艺水平的不断进步，ＳｉＣ功率 电力电子器件方面的专利，８０％以上被美、欧、１３占据，主要 器件的价格也将不断下降。 集中在Ｃｒｅｅ、Ｉｎｆｉｎｅｏｎ、ＧＥ、日立、ＮＥＣ、松下和Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ等业 参考文献 界知名的高科技企业。 ［１］ 刘忠立．ＳｉＣ功率半导体器件的优势及发展前景［Ｊ］． 在ＳｉＣ肖特基二极管方面，２００１年Ｉｎｆｉｎｅｏｎ公司推出 电力电子，２００９（６）：１２—１５． ３００ Ｖ～６００ Ｖ（１６ Ａ）的产品，２００２年Ｃｒｅｅ公司推出６００ Ｖ～ ［２］ 张斌．快恢复二极管发展与现状［Ｊ］．电力电子，２００９ １ ２００ Ｖ（２０ Ａ）的产品，主要用于开关电源控制、马达控制、 （１）：２０—２６． Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ Ｐｒｅｓｅｎｔ Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ＳｉＣ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ Ｄｅｖｉｃｅ Ｇｅｎｇ Ｋａｉｇｅ （Ｘｉ’ａｒｔ Ｗｅｉｇｕａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｘｉ’ａｒｔ Ｓｈａａｎｘｉ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ（ＳｉＣ）ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ，ｔｈｅ ＳｉＣ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｈｏｔ ｓｐｏｔｓ ｎｏｗ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｂｏｔｈ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ。ａｎｄ ｍａｋｅｓ ａ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ；ＳｉＣ；ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ ｄｅｖｉｃｅ