具有快速開關(guān)和低VCESAT的1200V碳化硅雙極性晶體管

由于能源成本上升和人們積極應(yīng)對(duì)全球變暖，電力電子設(shè)備的能源效率已經(jīng)變得越來越重要。為了提升電力電子設(shè)備的能源效率，具有較低功率損耗的功率半導(dǎo)體器件技術(shù)是關(guān)鍵所在。在半導(dǎo)體器件中，功率損耗的降低可以改善系統(tǒng)效率，并帶來直接的能源節(jié)省。降低的低功率損耗同樣是有益的，可以減小系統(tǒng)體積，并增加像在混合動(dòng)力及電動(dòng)汽車領(lǐng)域的市場(chǎng)滲透。

隨著開關(guān)電源和太陽(yáng)能DC/AC轉(zhuǎn)換應(yīng)用逆變器市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，碳化硅(silicon carbide，SiC)功率二極管得到了廣泛應(yīng)用。SiC二極管技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是快速開關(guān)且無反向恢復(fù)。當(dāng)與超級(jí)結(jié)FET等快速開關(guān)器件一起使用時(shí)，SiC二極管能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)頻率，減少無源元件并降低總體系統(tǒng)成本。SiC二極管技術(shù)已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中被證明是可靠的，采用工業(yè)晶圓，使得外延和半導(dǎo)體制造工藝用于SiC成為可能。后面重要的一步就是將向市場(chǎng)推出SiC功率開關(guān)管。

SiC功率開關(guān)管與SiC二極管一起使用，可以進(jìn)一步減小開關(guān)功率損耗，相比Si超級(jí)結(jié)FET或IGBT，具有顯著降低的通態(tài)(on-state)功率損耗。基于SiC功率器件系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，可以工作在更高的結(jié)溫，采用合適的封裝技術(shù)，器件的工作溫度甚至可以達(dá)到250℃。

在SiC功率開關(guān)管中，三種相互競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)MOSFET、JFET和雙極性晶體管(bipolar junction transistor，BJT)均可提供樣品或完全上市的成品。飛兆半導(dǎo)體已經(jīng)開發(fā)了額定電壓為1200 V的BJT器件，與硅功率雙極性晶體管截然不同。它具有很高(接近于100)的電流增益，且在大集電極電流下無衰減；開關(guān)速度象單極器件一樣快，并且非常穩(wěn)健，沒有二次擊穿問題。

圖1顯示了飛兆半導(dǎo)體SiC BJT有源區(qū)的橫截面原理圖，該器件是一種垂直外延NPN晶體管，集電極在晶圓的背面?；鶚O-發(fā)射極和基極-集電極結(jié)可通過干法刻蝕來形成，在有源區(qū)內(nèi)有許多窄發(fā)射極梳狀條，由基極-集電極結(jié)環(huán)繞著。P型離子注入用于形成低電阻基極歐姆接觸和高壓阻擋結(jié)終端。蝕刻和曝光的表面被鈍化，在厚絕緣氧化層沉積后進(jìn)行厚鋁墊(Al pad) 沉積，用于形成發(fā)射極和基極。在SiC BJT芯片的背面進(jìn)行金屬化，可兼容標(biāo)準(zhǔn)的貼片技術(shù)，正面有厚Al層適合厚Al引線粘接。SiC BJT備有兩種封裝：標(biāo)準(zhǔn)TO-247和專用高溫金屬TO-258封裝。這些封裝提供兩種不同的芯片尺寸，分別用于15A和50A額定電流。

圖1 BJT有源區(qū)和結(jié)端橫截面原理圖

圖2顯示了采用TO-247封裝的1200V SiC BJT在室溫下的IC-VCE特性曲線。SiC BJT具有良好的傳輸特性，并具有確定的導(dǎo)通電阻，類似于功率MOSFET。圖3顯示了電流增益、VCESAT 和VBESAT與集電極電流的特性曲線。電流增益隨集電極電流而增加，并在15A的額定電流下，達(dá)到略高于100的穩(wěn)定水平。在高集電極電流下，電流增益無衰減，因?yàn)镾iC中的摻雜濃度高于Si功率BJT。因此，在額定電流下高量注入不會(huì)發(fā)生。


圖2 室溫下額定15 A的1200 V SiC BJT 的IC-VCE特征曲線

圖3顯示了VCESAT 隨集電極電流呈線性增加，且在額定電流IC=15A時(shí)，其值為0.75 V。對(duì)于具有4.68 mm2有源區(qū)(active area)的15A SiC BJT芯片，相應(yīng)的特征導(dǎo)通電阻(specific on-resistance)僅為2.3 mΩcm2。就我們所掌握的知識(shí)，對(duì)于任何1200 V額定功率器件，這是最小的特征導(dǎo)通電阻。在VCEO=1200 V時(shí)的關(guān)斷狀態(tài)(open-base)下，15A SiC BJT的漏電流小于10μA，并且擊穿電壓的典型值是1500V。