碳化硅肖特基二极管SIC-SBD技术发展

  碳化硅是最早发现的半导体材料之一，然而，由于生长高质量的碳化硅晶体比较困难，使碳化硅器件的发展落后于其他同族材料。近几年来，碳化硅器件发展有显著进步，而且证实了碳化硅由于优越的物理和电学特性，与硅材料和器件相比更适合应用于大功率电路。
  碳化硅具有比硅更宽的禁带宽度(3C-SIC：2.3eV，6H-SIC：2.9eV，4H-SIC：3.2eV)，临界击穿电场比硅高8～10倍。因此，碳化硅高压器件可以通过高掺杂的薄漂移层实现，从而使器件的导通电阻降低几个数量级。
  众所周知高功率应用中，单极半导体器件的比导通电阻定义为器件电阻与器件有效面积的乘积，是耐压层掺杂浓度和厚度的函数。比导通电阻可以表示为：

  式中，E_c为雪崩临界击穿电场；V_B为对应的雪崩击穿电压；μ为电子迁移率。
  SIC材料以其优越的电学特性使其在高功率、高温应用中具有独特的优势。对于式(1)，与硅材料相比，4H-SIC的临界击穿电场大约比硅高10倍，对于给定的击穿电压，由式(1)得到的比导通电阻将减小约3个数量级。因此，已经开展了大量的实际工作以论证SIC单极器件在功率应用方面的商业化前景及其实现方法。SBD是最容易制造，也是最早商业化的SIC功率器件。碳化硅肖特基二极管与SIC PIN相比具有独特的优点，后者的内建电势很高。
  碳化硅肖特基二极管不仅应用于功率电路，还用于其他领域，如气敏传感器、微波和紫外探测器等。
 
  碳化硅肖特基二极管新技术
  碳化硅肖特基二极管(SIC SBD)是最早被发展的碳化硅功率器件，早在1974年就对这种结构进行了研究。近年来，随着碳化硅单晶材料逐渐商业化，单晶质量稳步提高，关于碳化硅肖特基二极管、混合PIN肖特基二极管(MPS)和结势垒二极管(JBS)的大量实际工作和研究不断开展。并进行了大量的金属与3C、6H和4H碳化硅肖特基接触研究。对于SBD、MPS和JBS的器件设计也进行了广泛的研究。碳化硅肖特基二极管发展显著，最近，有报道已经制造出击穿电压高达10kV的SIC SBDs，4.3kV的SIC MPS。最早成为商用的SIC功率器件证明了碳化硅肖特基二极管是一种重要的电能转换器件。在大部分的功率电路应用中，由于SIC功率器件速度的极大改进，充分减小了系统损耗，提高了系统效率，使SIC功率器件替代现有的硅功率快速恢复二极管成为功率器件电能转换系统发展的趋势。
  1975年在6H-SIC衬底上制作了最早的高压SBD，雪崩击穿电压为200V左右。20世纪90年代初期，由于高质量SIC材料的实现，SIC器件制造越来越多，在随后的几年，碳化硅肖特基二极管的电流和电压性能很快提升。据报道，最近已经获得了击穿电压为10.8kV的4H-碳化硅肖特基二极管，当电流密度为20A/cm²时，得到的正向压降为3.15V，相应的比导通电阻为97.5mΩcm。考虑到电流分散效应，估计可以获得187 mΩcm²的比导通电阻。
  表1列出了一些报道过的SBD结果。这些都是一个时期碳化硅肖特基二极管电压或电流能力的代表。从表中可以看出碳化硅肖特基二极管电压和电流量级的发展。击穿电压接近1000V的碳化硅肖特基二极管是1993年在厚度为10μm、氮掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3的6H-SiC上，通过Pd接触实现的。到20世纪90年代中期，4H-SIC材料得以实现与6H-SiC相比，由于4H-SIC的禁带更宽，电子迁移率和临界击穿电场都比6H-SIC高，更适合于制作碳化硅肖特基二极管。据报道，1995年在厚度为10μm、氮掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3的4H-SIC上获得了高于1000V的4H-碳化硅肖特基二极管。1998年报道了采用高势垒金属Ni和Pt在同样10μm厚的漂移层(掺杂浓度从6.1×10¹⁶cm^-3到1.6×10¹⁶cm^-3)上制造的1000V 4H-碳化硅肖特基二极管，电流密度有很大改进。4H-碳化硅肖特基二极管的击穿电压在1998年达到2.5kV，1999年达到4kV。2002年时，在掺杂为7×10¹⁷cm^-3、厚度为100μm的4H-SIC上，获得了击穿电压为4.9kV的碳化硅肖特基二极管。   图1给出了从1990年开始发展的碳化硅肖特基二极管击穿电压的递增曲线。迄今为止，报道的最高击穿电压碳化硅肖特基二极管制作在掺杂为5.6×10¹⁴cm^-3、厚度为115μm的4H-SIC上。虽然比导通电阻随击穿电压的快速增加使单极器件如SBD的优势受到一定影，但进一步提高碳化硅肖特基二极管击穿电压仍很必要。


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