新一代SiC元件備受矚目
碳化硅的硬度很大，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，高溫時(shí)能抗氧化。高純度的單晶SiC可用于半導(dǎo)體制造，而SiC元件作為具有優(yōu)異特性的新一代功率半導(dǎo)體備受矚目。SiC的絕緣破壞電場(chǎng)比Si大1位數(shù)左右，理論上SiC導(dǎo)通電阻可比Si減小2位數(shù)以上。原因是導(dǎo)通電阻與絕緣破壞電場(chǎng)3次方成反比。導(dǎo)通電阻小，因此可減小使用電源電路時(shí)的耗電量。另外，SiC的導(dǎo)熱率比Si高、散熱性好，因此有望縮小冷卻裝置。
由于Si和GaAs的勢(shì)壘高度和臨界電場(chǎng)比寬帶半導(dǎo)體材料低，用其制作的SBD擊穿電壓較低，反向漏電流較大。碳化硅（SiC）材料的禁帶寬度大(2.2eV～3.2eV)，臨界擊穿電場(chǎng)高（2V/cm～4×106V/cm），飽合速度快（2×107cm/s），熱導(dǎo)率高為4.9W/（cm·K），抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，硬度大，材料制備和制作工藝也比較成熟，是目前制作高耐壓、低正向壓降和高開(kāi)關(guān)速度SBD的比較理想的新型材料。
SiC是制作功率半導(dǎo)體器件比較理想的材料，著眼于這些特性，多家廠(chǎng)商和研究機(jī)構(gòu)正在積極進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。
1999年，美國(guó)Purdue大學(xué)在美國(guó)海軍資助的MURI項(xiàng)目中，研制成功4.9kV的SiC功率SBD，使SBD在耐壓方面取得了根本性的突破。
2000年5月4日，美國(guó)CREE公司和日本關(guān)西電力公司聯(lián)合宣布研制成功12.3kV的SiC功率二極管，其正向壓降VF在100A/cm2電流密度下為4.9V。這充分顯示了SiC材料制作功率二極管的巨大威力。
2008年9月，有兩項(xiàng)發(fā)表值得關(guān)注。一是采用日產(chǎn)汽車(chē)與羅姆聯(lián)合開(kāi)發(fā)出的SiC二極管汽車(chē)逆變器。日產(chǎn)汽車(chē)已將該逆變器配備于燃料電池車(chē)上開(kāi)始行駛實(shí)驗(yàn)。二是本田技術(shù)研究院與羅姆僅僅利用SiC開(kāi)發(fā)出的由逆變器和轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的功率模塊。
SBD的正向壓降和反向漏電流直接影響SBD整流器的功率損耗，關(guān)系到系統(tǒng)效率。低正向壓降要求有低的肖特基勢(shì)壘高度，而較高的反向擊穿電壓要求有盡可能高的勢(shì)壘高度，這是相矛盾的。因此，對(duì)勢(shì)壘金屬必須折衷考慮，故對(duì)其選擇顯得十分重要。對(duì)N型 SiC來(lái)說(shuō)，Ni和Ti是比較理想的肖特基勢(shì)壘金屬。由于Ni/SiC的勢(shì)壘高度高于Ti/SiC，故前者有更低的反向漏電流，而后者的正向壓降較小。為了獲得正向壓降低和反向漏電流小的SiCSBD，采用Ni接觸與Ti接觸相結(jié)合、高/低勢(shì)壘雙金屬溝槽（DMT）結(jié)構(gòu)的SiCSBD設(shè)計(jì)方案是可行的。采用這種結(jié)構(gòu)的SiCSBD，反向特性與Ni肖特基整流器相當(dāng)，在300V的反向偏壓下的反向漏電流比平面型Ti肖特基整流器小75倍，而正向特性類(lèi)似于 NiSBD。采用帶保護(hù)環(huán)的6H－SiCSBD，擊穿電壓達(dá)550V。
據(jù)報(bào)道，C.M.Zetterling等人采用6HSiC襯底外延10μm的N型層，再用離子注入形成一系列平行P＋條，頂層勢(shì)壘金屬選用Ti，這種結(jié)構(gòu)與圖2相類(lèi)似的結(jié)勢(shì)壘肖特基（JunctionBarrierSchottky，縮寫(xiě)為 JBS）器件，正向特性與Ti肖特基勢(shì)壘相同，反向漏電流處于PN結(jié)和Ti肖特基勢(shì)壘之間，通態(tài)電阻密度為20mΩ·cm2，阻斷電壓達(dá)1.1kV，在 200V反向偏壓下的漏電流密度為10μA/cm2。此外，R·Rayhunathon報(bào)道了關(guān)于P型4HSiCSBD、6HSiCSBD的研制成果。這種以Ti作為金屬勢(shì)壘的P型4HSiCSBD和6HSiCSBD，反向擊穿電壓分別達(dá)600V和540V，在100V反向偏壓下的漏電流密度小于0.1μA/cm2（25℃）。
