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  碳化硅二極管終端電子架構(gòu)的復(fù)雜性提高，硅基器件的物理極限不能滿足部分高壓、高溫、高頻、低功耗的應(yīng)用要求。近20年來，碳化硅(siliconcarbide，SiC)以寬禁帶半導(dǎo)體器件為代表，引起了廣泛關(guān)注。SiC中有各種各樣的多型體(結(jié)晶多系統(tǒng))，它們的物理性能值也不同。4H-SiC最適合功率裝置的生產(chǎn)。SiC材料的禁帶寬度是硅材料的3倍，臨界穿透場(chǎng)是硅材料的10倍，導(dǎo)熱系數(shù)是硅材料的3倍，如圖1所示。因此，SiC功率裝置在高頻、高壓、高溫等應(yīng)用場(chǎng)所更具優(yōu)勢(shì)，有利于提高電力電子系統(tǒng)的效率和功率密度。

圖1 Si、GaN、SiC材料特性對(duì)比

  SiC功率器件的優(yōu)勢(shì)

  ●高耐壓

  ●SiC的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍，與Si器件相比，SiC可以通過更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移層作出600V～數(shù)千V的高耐壓功率器件。

  ●低導(dǎo)通電阻

  ●對(duì)于高耐壓功率器件來說，阻抗主要由該漂移層的阻抗組成，因此采用SiC可以得到單位面積導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓器件。理論上，相同耐壓的器件，SiC的單位面積的漂移層阻抗可以降低到Si的1/300。

  ●高頻

  ●傳統(tǒng)的Si材料為了改善伴隨高耐壓化而引起的導(dǎo)通電阻增大的問題，主要采用如IGBT(Insulated GateBipolar Transistor : 絕緣柵極雙極型晶體管)等少數(shù)載流子器件(雙極型器件)，采取這種方式會(huì)引入開關(guān)損耗大的問題，發(fā)熱會(huì)限制IGBT的高頻驅(qū)動(dòng)。 SiC材料卻能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件(肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET)去實(shí)現(xiàn)高耐壓，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn) "高耐壓"、"低導(dǎo)通電阻"、"高頻" 這三個(gè)特性。

  ●高溫

  ●SiC帶隙較寬，是Si的3倍，因此SiC功率器件即使在高溫下也可以穩(wěn)定工作。

圖2 Cree SiC肖特基二極管產(chǎn)品

  SiC二極管種類

  SiC功率二極管有4種類型：PiN 二極管、肖特基二極管(Schottky Barrier Diode，SBD)，結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管(Junction Barrier Schottky Diode，JBS)和混合式PIN-肖特基二極管。

  PiN二極管結(jié)構(gòu)及其工作原理

  PiN二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。電力二極管為了承受高電壓和大電流，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和PN結(jié)有所不同，PiN二極管中間較寬的為低摻雜濃度的N-漂移區(qū)(也稱為基區(qū))，兩邊較窄的為高摻雜濃度陽極P+區(qū)域和陰極N+區(qū)域，稱為末端區(qū)。

圖3 PiN二極管結(jié)構(gòu)示意圖

  在正偏時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的多子會(huì)注入到I區(qū)，并在I區(qū)復(fù)合。當(dāng)注入載流子和復(fù)合載流子相等時(shí)，電流I達(dá)到平衡狀態(tài)。而本征層由于積累了大量的載流子而電阻變低，所以當(dāng)PIN二極管正向偏置時(shí)，呈低阻特性。正向偏壓越大，注入I層的電流就越大，I層載流子越多，使得其電阻越小。

當(dāng)反偏時(shí)，由于實(shí)際的I層含有少量的P型雜質(zhì)，所以在IN交界面處，I區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向I區(qū)擴(kuò)散，然后形成空間電荷區(qū)。由于I區(qū)雜質(zhì)濃度相比N區(qū)很低，因此耗盡區(qū)幾乎全部在I區(qū)內(nèi)。在PI交界面，由于存在濃度差(P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于I區(qū))，也會(huì)發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，但是其影響相對(duì)于IN交界面小的多，可以忽略不計(jì)。所以當(dāng)反偏時(shí)，I區(qū)由于存在耗盡區(qū)而使得PIN二極管呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。

  肖特基二極管結(jié)構(gòu)及其工作原理

  肖特基二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，本質(zhì)上就是金屬和半導(dǎo)體材料接觸的時(shí)候，在界面半導(dǎo)體處的能帶彎曲，形成了肖特基勢(shì)壘。金屬和半導(dǎo)體接觸的時(shí)候，電子會(huì)從半導(dǎo)體跑到金屬里面去。半導(dǎo)體失去電子，就會(huì)帶正電，形成空間電荷區(qū)(由不可移動(dòng)的正離子構(gòu)成)，這個(gè)空間電荷區(qū)，會(huì)阻止半導(dǎo)體的電子繼續(xù)向金屬移動(dòng)，也就是說形成了肖特基勢(shì)壘。當(dāng)在肖特基勢(shì)壘兩端加上正向偏壓(陽極金屬接電源正極，N型基片接電源負(fù)極)時(shí)，肖特基勢(shì)壘層變窄，其內(nèi)阻變小，正向?qū)?。反之，若在肖特基?shì)壘兩端加上反向偏壓時(shí)，肖特基勢(shì)壘層則變寬，其內(nèi)阻變大，反向截止。

圖4 肖特基二極管結(jié)構(gòu)示意圖

  結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管結(jié)構(gòu)及其工作原理

  JBS 二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，在JBS二極管中，陽極金屬下方的肖特基接觸部分和P+區(qū)部分交錯(cuò)排列。在正偏時(shí)，僅有肖特基接觸部分參與導(dǎo)電，器件的特性類似純肖特基二極管;在反偏時(shí)，肖特基結(jié)兩側(cè)的P+區(qū)和N-外延層構(gòu)成的P+/N-結(jié)形成的耗盡區(qū)相互接觸，對(duì)肖特基接觸形成了屏蔽，顯著降低了其下方的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而降低了漏電流。通過改變P+區(qū)和肖特基區(qū)的尺寸，在保持肖特基金屬不變的前提下，很容易地調(diào)節(jié)器件的正向和反向特性;同時(shí)，JBS二極管還保留了純肖特基二極管單極性導(dǎo)通、開關(guān)速度快的優(yōu)勢(shì)。

圖5 結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管結(jié)構(gòu)示意圖

  混合式PIN-肖特基二極結(jié)構(gòu)及其工作原理

  MPS 二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，除了小尺寸P+區(qū)外，還存在用于提高器件浪涌可靠性的大尺寸P+區(qū)。其中小P+區(qū)的作用和JBS二極管中的P+區(qū)完全相同，而大P+區(qū)的作用在于提高器件在大電流下的導(dǎo)通能力。在大電流下，大P+區(qū)對(duì)應(yīng)的PN結(jié)將會(huì)開啟，并向器件的漂移區(qū)注入少數(shù)載流子;由此產(chǎn)生的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)將會(huì)極大地降低器件的電阻。

圖6 混合式-PIN肖特基二極管結(jié)構(gòu)示意圖

  從器件的結(jié)構(gòu)特征來說，MPS二極管和JBS二極管無本質(zhì)區(qū)別，其結(jié)構(gòu)特征都是 P+區(qū)與肖特基區(qū)的交替排列。兩種器件的區(qū)別在于其工作模式：在JBS 二極管中，P+區(qū)僅僅在器件處于反偏時(shí)屏蔽高電場(chǎng)，以減小肖特基結(jié)處的漏電，在器件處于正偏時(shí)并不起作用;在MPS二極管中，P+區(qū)在器件處于反偏時(shí)起到相同的作用，同時(shí)在器件處于正偏且正偏電壓較大時(shí)，同樣會(huì)參與導(dǎo)電，以提高器件雙極導(dǎo)通能力。