針對高壓應(yīng)用優(yōu)化寬帶隙半導(dǎo)體器件

自從寬帶隙材料被引入各種制造技術(shù)以來，通過使用MOSFET、晶閘管和 SCR等功率半導(dǎo)體器件就可以實(shí)現(xiàn)高效率。為了優(yōu)化可控制造技術(shù)，可以使用特定的導(dǎo)通電阻來控制系統(tǒng)中的大部分功率器件。對于功率 MOSFET，導(dǎo)通電阻仍然是優(yōu)化和摻雜其單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。電導(dǎo)率的主要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是材料技術(shù)中的特定導(dǎo)通電阻與擊穿電壓（R sp與 V BD ）。

自從寬帶隙材料被引入各種制造技術(shù)以來，通過使用MOSFET、晶閘管和 SCR等功率半導(dǎo)體器件就可以實(shí)現(xiàn)高效率。為了優(yōu)化可控制造技術(shù)，可以使用特定的導(dǎo)通電阻來控制系統(tǒng)中的大部分功率器件。對于功率 MOSFET，導(dǎo)通電阻仍然是優(yōu)化和摻雜其單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。電導(dǎo)率的主要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是材料技術(shù)中的特定導(dǎo)通電阻與擊穿電壓（R sp與 V BD ）。
盡管 SiC功率二極管和 MOSFET取得了一些進(jìn)展，但此類器件的導(dǎo)電性優(yōu)化仍然是一個(gè)重大挫折。在任何測量標(biāo)準(zhǔn)中，電路及其輸出的精度都是一個(gè)重要方面。此外，可能會出現(xiàn)額外的復(fù)雜情況，因?yàn)樵O(shè)備制造商不會在組件的數(shù)據(jù)表中說明關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。
構(gòu)造二極管參數(shù)和使用的提取方法
進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來測試額定值為 600 至 1,700 V 和 1 至 25 A 的商用和分立式 4H-SiC JBS 功率二極管。要測試的器件按照 TO-220 和 TO-247 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝。為了限制空間電荷區(qū)域超出穿通范圍的擴(kuò)散，為垂直 JBS 二極管的半單元電池開發(fā)了具有更高摻雜的緩沖層。

圖 1：電場示意圖（：IEEE）

如圖1所示，已經(jīng)說明了擊穿時(shí)的電場分布示意圖。電場強(qiáng)度E PT在擊穿期間金屬-半導(dǎo)體界面所在的漂移周圍的界面處。緩沖區(qū)和 E C都存在，因?yàn)?n 型緩沖層限制了空間電荷區(qū)超出穿通的范圍。根據(jù)計(jì)算出的 CV 特性，從漂移區(qū)和緩沖層中提取摻雜濃度。

已計(jì)算出計(jì)算出的歸一化零偏置二極管電容 C j0N與歸一化總二極管面積的關(guān)系。此外，二乘線與數(shù)據(jù)點(diǎn)相匹配，這意味著 600V 二極管適合二極管區(qū)域的額定電流。

所進(jìn)行的評估是在 22?C 至 250?C 的室溫下進(jìn)行的，適用于具有 1 至 25 A 廣泛額定電流范圍以及 600、1,200 和 1,700 V 三種不同額定電壓的二極管。

根據(jù)漂移區(qū)摻雜濃度N DR和擊穿電壓V PT的提取值，關(guān)鍵二極管設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算如下：

從以上等式可知，E C是雪崩擊穿的臨界電場強(qiáng)度，V BD是雪崩擊穿電壓。使用以下公式計(jì)算金屬-半導(dǎo)體結(jié)內(nèi)置電位 V bi和零偏置肖特基勢壘高度 φ B0I V ：

A * = 146 A/cm 2 ·K 2的值是 4H-SiC 的有效理查森常數(shù)，N C = 3 × 10 15 cm –3 ·(T) 3/2顯示有效態(tài)密度在導(dǎo)帶中。

計(jì)算漂移區(qū)電阻

根據(jù) JBS 二極管結(jié)構(gòu)，可以使用以下等式計(jì)算凈漂移區(qū)電阻 R DR ：

如上式所示，涉及三個(gè)電阻：R B、R SUB和R C。這包括表示 n 型緩沖層、n+ 襯底和與襯底的陰極金屬歐姆接觸的電阻。這些阻力如下：

如上式所示，ρ B是緩沖層的電阻率，當(dāng)摻雜濃度已知時(shí)，可以很容易地計(jì)算出該電阻率。計(jì)算中使用基板電阻率ρ SUB = 0.012 cm 和基板厚度 W SUB = 377 μm；對于陰極歐姆接觸，使用比接觸電阻ρ C = 2.5 × 10 -5 cm 2 。在這種情況下，即使 ρ C值發(fā)生輕微變化也會影響 600-V 器件的結(jié)果。特定的漂移區(qū)電阻 R DRS使用以下公式計(jì)算：

4H-SiC JBS 二極管V BD = 600-V 基板和陰極歐姆接觸電阻對總二極管導(dǎo)通電阻有很大影響。

對于 V BD大于 1,200 V 的二極管，導(dǎo)電性有進(jìn)一步發(fā)展的機(jī)會，如果二極管額定雪崩擊穿電壓而不是擊穿漏電流，則可以滿足這一要求。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須通過減少漂移層中的晶體缺陷來減少或完全消除緩沖層。

設(shè)計(jì)反向漏電流

肖特基二極管中的反向漏電流 I L包括兩個(gè)主要部分：

這里，V R是施加的反向偏置電壓的大小，I SCH是經(jīng)典的熱電子發(fā)射電流。

如分析所示，較低值的反向偏置電壓測量誤差是由測量設(shè)備合規(guī)性引起的。當(dāng)涉及到更高的值時(shí)，隧道電流與實(shí)際測量值相比要高得多，因此表明在金屬和 4H-SiC 附近存在界面介電層是可行的。

結(jié)論

使用基于物理學(xué)的靜態(tài) IV 和 CV 測量進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以對商用 4H-SiC JBS 功率二極管進(jìn)行逆向工程。一旦執(zhí)行了仿真，就可以理解商用 4H-SiC JBS 功率二極管的額定穿通漏電流。這些功率二極管在比半導(dǎo)體的臨界電場強(qiáng)度低得多的電場下工作。

除此之外，SiC 功率二極管的結(jié)電容比硅功率二極管大得多。在額定值相同的情況下，有很大的機(jī)會提高這些功率器件的導(dǎo)通電導(dǎo)率。半導(dǎo)體行業(yè)已大力嘗試降低 4H-SiC 中的缺陷密度，但結(jié)果并不樂觀。未來必須對該主題進(jìn)行研究，以提高寬帶隙功率器件的長期可靠性。