碳化硅肖特基二极管的正向压降技术

  1. 正向压降的优化
  考虑所有的寄生电阻，肖特基二极管的正向压降实际上可以表示为

式中，I_F是正向电流；A是器件的有效面积；R_sp，on是二极管的比导通电阻(SBD的一个重要参数)。比导通电阻低对器件性能意义重大，因为低的比导通电阻可以在小的芯片面积上获得所需的电流。比导通电阻通常是SBD正向J-V曲线的微分电阻，其中包括电极电阻，背面欧姆接触电阻，衬底电阻和漂移区电阻等分量。除了低的比导通电阻，SBD的开态电压也是越小越好。对于n型高压碳化硅肖特基二极管，电极、欧姆接触和衬底电阻可以忽略，漂移区电阻占主要部分。
  对于高压碳化硅肖特基二极管，优化漂移区电阻是减小正向压降的关键。两个重要的参数漂移区掺杂浓度和厚度，决定了器件的阻断能力和比导通电阻。对于这两个参数有一个折中关系，高电压阻断能力需要厚的、低掺杂漂移层，而获得低的比导通电阻要求恰好相反。漂移区的选取要求满足所需阻断电压，使有效终端的厚度最小，漂移区浓度最大。n型碳化硅肖特基二极管漂移区的比导通电阻可以表示为 式中，W_D为漂移区厚度；μ_n为只与浓度N_D有关的电子迁移率。对于非穿通型(NPT)结构，漂移区厚度满足等于或大于平行平面结雪崩击穿时的耗尽区宽度的条件。对于穿通型(PT)设计，漂移区厚度小于平行平面雪崩击穿的耗尽区宽度。有研究表明，对于给定的击穿电压，优化的PT结构可以获得更低的漂移区电阻。
  对于穿通型结构，漂移区厚度可以表示为   式(3)中的临界击穿电场Ec依赖于漂移层的掺杂浓度(当漂移区厚度很小时，也与漂移区厚度有微弱的依赖关系)，可以近似表示为   通过式(3)和式(4)，可以对满足一定击穿电压的单极器件进行优化，由此得到低的比导通电阻所需的漂移区浓度和厚度。
  图1给出了当给定的阻断电压为1200V时，漂移层的厚度和比导通电阻与漂移层浓度的关系曲线。图1中假设SBD的边缘终端效率可以得到80%的理想平行平面击穿电压。从图中可以得出对于优化设计，穿通型(PT)结构的漂移区掺杂浓度为非穿通型(NPT)结构的90%，厚度为NPT的87%，获得的比导通电阻比NPT小7%。  
  SIC单极功率器件比导通电阻的理论极限比Si单极功率器件小2～3个数量级。图2给出了实验证明的SIC二极管的最小比导通电阻随击穿电压的变化关系。   如前所述，JBS、MPS、DMTS、TMBS结构的正向压降可以通过肖特基势垒电压(V_SB)、场屏蔽区之间的沟道电阻(R_grid)、漂移区电阻(R_dr)、衬底电阻(R_sub)、背面欧姆接触电阻(R_SB)等参数统一表示为   对于这4种结构，由于电流流过的肖特基接触面积减小，导致正向导通电压有微小的增加(特殊的情况为，如果MPS二极管的p+n结正偏，少数载流子将注入漂移区，调制漂移区的电导)。正向压降的增加量是p+区面积与器件有源区总面积比值的函数。p+区所占的相对面积越小，正向压降的增加将越小。对于具有高阻断电压的器件，式(2)中的漂移区电阻分量通常占主要部分。由于R_grid增加而引起的正向电压增加，只是正向压降中的很小一部分。
 
  2. 正向压降的温度系数
  不同温度条件下SBD(或JBS、MPS)正向压降的变化可以通过方程(1)所示的三部分决定。在实际工作的电流密度范围内，对于给定的电流密度，方程的第一部分是负值，并随温度升高而降低。方程的第二部分，即势垒高度分布也是随温度升高而减小。第三部分是漂移区、衬底区，以及欧姆接触电阻对正向压降的贡献。对于具有低阻衬底和良好阴极(p型SBD为阳极)欧姆接触的SBD，漂移区电阻占主要部分，随着温度升高，迁移率退化，漂移区电阻不断增加。
  因此，SBD正向压降总的温度系数与方程(1)中三部分随温度的相对大小有关。当电流密度很低时，方程中的前两部分起主要作用，V_F的温度系数为负值。对于实际工作的电流密度，如1～500A/cm²，由于前两项与电压呈指数关系，相对保持不变。然而，第三部分的电阻项与电流密度呈线性关系，而且在高电流密度时占主要部分。因此，当电流密度达到一定值时，器件总的正向压降的温度系数将由负值变为正值。图3给出了具有相对低阻断能力的SBD(1.2～1.4×10¹⁶cm^-3、4μm)在不同电流密度时，正向压降随温度的变化关系。当电流密度约为300A/cm²时，V_F的温度系数变为正值。对于具有低掺杂、厚漂移区的碳化硅肖特基二极管(决定了高阻断电压)，电阻项对于V_F的作用将更大，V_F的温度系数在低电流密度时为正值。  
 
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