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碳化硅肖特基二极管的设计与优化

发布时间:2020-10-21 责任编辑:wenwei

【导读】碳化硅(SiC)具有宽禁带、高热导率等优良的材料特性,在中高压功率半导体器件制造中得到了广泛的应用。目前,肖特基二极管、mosfet和jfet是市场上最流行的SiC功率器件。特别是sic schottky二极管已经成功地应用于电力领域近20年。最早的SiC肖特基二极管采用纯肖特基势垒二极管(SBD)结构。后来,这种结构演变成一种结势垒肖特基(JBS)具有低反向泄漏电流。最新的结构被称为合并PN肖特基(MPS),表现出大幅增加的浪涌电流处理能力。
 
WeEn Semiconductors于2014年发布了基于100毫米SiC晶片的650V SiC MPS二极管,并于2017年发布了基于150毫米高质量SiC晶片的650V SiC MPS二极管。今年早些时候,基于成熟的150mm晶圆技术,WeEn推出了1200V SiC MPS二极管和AEC-Q101汽车认证的650V SiC MPS二极管。
 
公司拥有50多年的历史,在功率半导体器件设计方面有着丰富的经验。设计过程包括根据客户需求设定设计目标、使用EDA工具进行器件和工艺模拟、掩模设计和工艺设计、制造、装配和可靠性测试。经过多轮的试验、优化、寿命试验和应用试验,获得了合格的优化设计产品。
 
为了追求最佳的器件性能,在全WeEn-SiC肖特基二极管中采用了一种合并PN肖特基(MPS)结构。在高正向电流密度下,PN结将开始在二极管漂移区注入少数载流子(电导调制),并接管肖特基结的电流传导。因此,在高电流密度下,MPS比传统JBS结构具有更低的正向压降。这使得MPS器件能够承受更高的浪涌电流。但是,增大PN面积将导致肖特基面积减小。当双极结构还不工作时,这会导致标称正向电流下的“导通电阻”增加。因此,在标称正向传导能力和浪涌电流处理能力之间存在权衡。通过精心设计的P+岛和独特的欧姆接触工艺,实现了对有效肖特基面积没有显著影响的有效浪涌电流传导路径。这使得WeEn-SiC-MPS二极管能够在不损失标称电流传导能力的情况下具有优异的浪涌电流处理能力。
 
碳化硅肖特基二极管的设计与优化
图1:WeEn-SiC MPS二极管的截面示意图和电流分布
 
一种适于制造功率器件的SiC晶片由两层组成:一层是厚的衬底层,另一层是生长在上面的薄外延层。厚实的基底使大型碳化硅晶圆具有在半导体加工、搬运和运输过程中所需的机械稳定性。然而,基底的电功能是最小的。二极管阻断高反向电压的功能被外延层覆盖,只有在正向工作时,衬底才起到电流传导路径的作用。不幸的是,电流传导路径起着串联电阻的作用。市面上可买到的SiC衬底没有高掺杂浓度,因此串联电阻非常明显,特别是对于650V SiC器件。这会导致意外的功率损失。降低串联电阻和功率损耗的一种方法是在半导体加工完成后使衬底层变薄,即所谓的衬底后研磨。
 
碳化硅肖特基二极管的设计与优化
图2:WeEn NXPSC04650 4A,650V MPS二极管与其他公司JBS二极管在25℃时正向I-V特性的比较
 
碳化硅是一种非常坚硬的材料,它对磨削等机械处理提出了几个挑战:防止裂纹、表面粗糙度和厚度均匀性。然而,领先的制造工艺和卓越的质量控制使WeEn能够提供比市场上标准产品厚度仅1/3的SiC产品。这种很薄的芯片使SiC二极管具有更好的电流传导能力和较低的热阻。
 
严格的生产管理和质量控制是保证产品性能稳定的重要因素。为了向客户提供最可靠的碳化硅二极管产品,我们建立了全面的质量和可靠性控制系统和程序。所有SiC产品必须经过100%静态参数测试、100%浪涌电流处理测试(IFSM)和100%雪崩能力测试(UIS)。产品符合JEDEC标准或更严格的可靠性测试要求;例如,将HTRB测试时间从1000小时延长到3000小时。
 
由于其优良的材料特性,SiC肖特基二极管的性能比硅PN结二极管好得多。再加上先进的芯片设计能力和成熟的制造工艺,WeEn现在制造出了优质的SiC肖特基二极管。
 
 
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