針對高壓應用優(yōu)化寬帶隙半導體器件

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等功率半導體器件就可以實現(xiàn)高效率。為了優(yōu)化可控制造技術(shù)，可以使用特定的導通電阻來控制系統(tǒng)中的大部分功率器件。對于功率 MOSFET，導通電阻仍然是優(yōu)化和摻雜其單元設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。電導率的主要行業(yè)標準是材料技術(shù)中的特定導通電阻與擊穿電壓（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等功率半導體器件就可以實現(xiàn)高效率。為了優(yōu)化可控制造技術(shù)，可以使用特定的導通電阻來控制系統(tǒng)中的大部分功率器件。對于功率 MOSFET，導通電阻仍然是優(yōu)化和摻雜其單元設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。電導率的主要行業(yè)標準是材料技術(shù)中的特定導通電阻與擊穿電壓（R sp與 V BD ）。
盡管 SiC功率二極管和 MOSFET取得了一些進展，但此類器件的導電性優(yōu)化仍然是一個重大挫折。在任何測量標準中，電路及其輸出的精度都是一個重要方面。此外，可能會出現(xiàn)額外的復雜情況，因為設(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)計參數(shù)。
構(gòu)造二極管參數(shù)和使用的提取方法
進行了一項實驗來測試額定值為 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)標準進行封裝。為了限制空間電荷區(qū)域超出穿通范圍的擴散，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)說明了擊穿時的電場分布示意圖。電場強度E PT在擊穿期間金屬-半導體界面所在的漂移周圍的界面處。緩沖區(qū)和 E C都存在，因為 n 型緩沖層限制了空間電荷區(qū)超出穿通的范圍。根據(jù)計算出的 CV 特性，從漂移區(qū)和緩沖層中提取摻雜濃度。

已計算出計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。

所進行的評估是在 22?C 至 250?C 的室溫下進行的，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)計參數(shù)計算如下：

從以上等式可知，E C是雪崩擊穿的臨界電場強度，V BD是雪崩擊穿電壓。使用以下公式計算金屬-半導體結(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)密度在導帶中。

計算漂移區(qū)電阻

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

如上式所示，涉及三個電阻：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，當摻雜濃度已知時，可以很容易地計算出該電阻率。計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通電阻有很大影響。

對于 V BD大于 1,200 V 的二極管，導電性有進一步發(fā)展的機會，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。為了實現(xiàn)這一點，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)計反向漏電流

肖特基二極管中的反向漏電流 I L包括兩個主要部分：

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。當涉及到更高的值時，隧道電流與實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

使用基于物理學的靜態(tài) IV 和 CV 測量進行了一項實驗，以對商用 4H-SiC JBS 功率二極管進行逆向工程。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體的臨界電場強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，有很大的機會提高這些功率器件的導通電導率。半導體行業(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行研究，以提高寬帶隙功率器件的長期可靠性。