黄京才;白朝辉
【摘 要】概要介绍了第三代半导体材料碳化硅（SiC）在高温、高频、大功率器件应用方面的优势，结合国际上SiC肖特基势垒二极管，PiN二极管和结势垒肖特基二极管的发展历史，介绍了SiC功率二极管的最新进展，同时对我国宽禁带半导体SiC器件的研究现状及发展方向做了概述及展望。%This overview introduces the third generation of semiconductor material silicon carbide （SIC）, which advantages at high temperature, high frequency and high power devices are simply reviewed in this paper. The latest progress of SiC power diode is present 【期刊名称】《山西电子技术》
【年(卷),期】2011(000)004
【总页数】满液式蒸发器3页(P90-91,96)
【关键词】船舶智能焊接技术宽禁带半导体;碳化硅;功率二极管冰浆机>步进式加热炉
【作 者】黄京才;白朝辉
【作者单位】西安卫光科技有限公司,陕西西安710065;西安卫光科技有限公司,陕西西安710065
laflof【正文语种】中 文
【中图分类】TN304
0 引言
目前，以硅器件为基础的电力电子器件的性能已随其结构设计和制造工艺的相当完善而接近其由材料特性决定的理论极限，依靠硅器件继续完善和提高电力电子装置与系统性能的潜力已十分有限。
以SiC，GaN为代表的宽禁带半导体材料，是继以硅和砷化镓为代表的第一代、第二代半导体材料之后迅速发展起来的新型半导体材料。表1列出了不同半导体材料的特性对比［1］。
超分散剂应用涂料工业
表1 不同半导体材料的特性对比类型 Si GaAs GaN SiC 4HSiC 6HSiC 3CSiC禁带宽度/eV 1.12 1.42 3.45 3.2 3.0 2.2击穿电场（MV/cm）0.6 0.6 ＞1 2.2 2.4 2热导率（W/cm·K）1.5 0.5 1.3 4.9 4.9 5介电常数11.9 13.1 9 9.7 9.7 9.72饱和速度（107cm/s）1.0 1.2 2.2 2 2 2.2电子迁移率（cm2/v·s）420 320 850 120 40 40 1 200 6 500 1 250 1 020 600 1 000空穴迁移率（cm2/v·s）
从表中可以看出，它们具有以下特点:（1）热导率高，工作温度可以达到600℃，从而器件的冷却系统可大为简化，其中SiC为4.9 W/cm·℃，优势更加明显;SiC热导率远远高于大多数半导体，室温时几乎高于所有金属;莫氏硬度高于GaAs和Si，达到9级，仅次于金刚石;便于器件工艺流片和实施高密度大功率集成;（2）电子饱和漂移速度高，适于微波频段工作;（3）击穿电场高，能够实现高工作电压;（4）禁带宽度宽，本征载流子浓度低，4H-SiC为8.2×10-9/cm3，GaN为1.9×10-10/cm3，便于管芯隔离;（5）抗辐照能力比GaAs和Si强1～2个数量级，另外开关损耗低1～2个数量级。SiC材料的宽禁带和高温稳定性使得其在高温半导体器件方面有无可比拟的优势。
1 国际发展
从20世纪90年代起，美国国防部（DOD，department of defense）就开始支持SiC功率器件研究，SiC功率器件样品相继问世。1987年以SiC材料和器件为研究方向Cree公司由美国国防部资助成立为海军和空军装备作预先研究，从此SiC材料和电子器件进入飞速发展的新阶段［2］。
SiC器件的发展是伴随着SiC单晶衬底材料的发展而进行的。近年来，SiC材料微孔问题已基本解决，单晶材料的尺寸不断增大，主流产品已经从两英寸过渡到三英寸和四英寸片。2010年8月Cree公司展示了其新成果，150 mm（6英寸）的SiC衬底片，每平方厘米微孔密度小于10个。
功率二极管是功率半导体器件的重要分支，主要包括肖特基势垒二极管（SBD，schottky barrier diode），PiN二极管和结势垒肖特基二极管（JBS，junction barrier schottky diode）。
1987年Shiahara等人通过CVD技术研制出第一只6H-SiC二极管，当时的击穿电压在600 V左右。20世纪初，L.G.Matus等人通过CVD技术在6H-SiC衬底上淀积P型、N型6H-SiC，制成耐压1 000 V，工作温度600℃的pn结二极管。由于SiC的pn结自建电势差较大，导致
导通压降升高。为了解决这一问题，人们采用肖特基结来代替pn结。
目前，商业化的SiC器件主要是肖特基二极管，美国的Cree公司和德国Infineon公司（西门子集团）都已有耐压600 V，电流10 A或12 A以下的碳化硅肖特基势垒二极管系列产品出售。
1992年，美国北卡州立大学功率半导体研究中心最先报道了全世界首次研制成功6H-SiC肖特基势垒二极管，其阻断电压 400 V［3］。
2001年，德国Infineo公司在业界生产出600 V、4 A和300 V、10 A的SiC肖特基二极管，SiC SBD开始商业化。美国Semisouth公司研制的100 A、600 V、300℃工作的 SiC SBD器件已应用于美国空军多电飞机（MEA，more electric aircraft）。2003年美国Rutgers大学研制出阻断电压10.8 kV，导通电阻97 mΩ·cm2SiC SBD二极管［4］。日本东芝公司在2008年报道了接近4H-SiC材料极限水平的 Super-SBD［5］，该器件采用浮空结技术获得2.57 mΩ·cm2超低导通电阻和2.7 kV阻断电压，品质因子为2.837 MW/cm。2009年2月美国Cree公司与Powerex公司开发出了双开关1 200 V、100 A的SiC功率模块。其由耐高压和大电流的SiC的MOS场效应晶体管和SiC肖特基二极管组成。德国Infineo公司2009年3月
推出了第三代薄型SiC肖特基二极管。据日本三菱公司的试验表明，电力变换器中使用的硅基耐压600 V快速恢复二极管和IGBT。如果用SiC SBD（肖特基势垒二极管）和 MOSFET管代替，功耗可降50%，甚至70%。SiC的工作环境可稳定地提高至300℃，而硅不超过200℃。因此可减少散热器或不用散热器。
由于高压下SiC的肖特基势垒比较薄，进一步提高肖特基二极管的阻断电压就会受到遂穿势垒反向漏电流的限制，因此对于3 kV以上的整流器应用领域，SiC PiN二极管更具优势。除更高的击穿电压外，SiC PiN二极管还具有更快的开关速度、更小的体积和更轻的重量。
瑞典 KTH、Royal Institute of Technology报道［6］，1995 年研制成高击穿6H-SiC PiN二极管，击穿电压为4.5 kV。Cree公司在85 μm厚的SiC外延层上制作了5 900 V SiC PIN二极管，正向压降在100 A/cm2的电流密度下为4.2 V，5 500 VSiC PiN二极管的反向恢复电流仅为350 nA。美国RPI（Rensse Laer Polytechnic Institute）在40 μm厚的SiC外延层上实现了4 500 V SiC PiN二极管，正向压降在100 A/cm2的电流密度下为4.2 V。2000年日本的Sugawara研究室和Cree公司研制出12 kV和19.5 kV的台面型PiN二极管［10］。对于19.5 kV的SiC PiN二极管，其正向压降在电流密度100 A/cm2下为7.5 V，击穿时的泄漏电
流密度为3 mA/cm2;反向恢复时间小于43 ns，只有商业化6 kV Si快恢复二极管的1/30。2005年Cree公司报道了10 kV，3.75 V，50 A（8.7 mm×8.7 mm2）SiC PiN二极管，其10 kV/20 A PiN二极管系列的合格率已经达到40%。
在高工作频率下，SiC PiN二极管反向恢复时能量损耗比较大，因此SiC JBS二极管就很有吸引力。JBS器件在正偏置时，肖特基势垒因势垒低先进入导通状态，起主要作用;但反偏时，pn结在高反压下耗尽区迅速扩展，为肖特基势垒屏蔽电场，从而使反向漏电大幅度下降，因此JBS既具有肖特基二极管优良的开关特性，又有接近PiN二极管的高阻断能力。2007年Cree公司报道了10 kV/20 A的SiC JBS二极管，芯片尺寸为14.9×10.6 mm2，在3inch N型4H-SiC晶圆上的合格率为37%，10 kV/5A SiC JBS的合格率超过40%。
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