碳化硅器件发展概述

黄京才，白朝辉

（西安卫光科技有限公司，陕西西安 710065）

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］。

表1 不同半导体材料的特性对比

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%。

2 国内发展

国内宽禁带半导体微波功率器件的研究始于20世纪末，对于SiC材料的研究，中科院硅酸盐所开展的相当早，而宽禁带电子器件中国电子科技集团公司第十三研究所起步较早。经过最初几年的摸索，已积累了一定的材料与器件制作经验。

2004年，“973”国家重大基础项目研究”中有关宽禁带半导体的研究工作正式启动，国家大量人力与物力的支持极大地提高了国内宽禁带半导体微波功率器件研制水平，其中高校（西安电子科技大学、电子科技大学、北京大学、山东大学、浙江大学等）侧重于材料及器件理论、模拟研究，研究所（中电13所、46所、55所、中科院半导体所、微电子所等）侧重于材料及器件的制备。

在材料研究方面，西安电子科技大学已研制出GaN、Ga-NAl等材料生长用MOCVD设备，获国家科技进步二等奖，用该设备已生长出合格的GaN、GaNAl等材料，并且用该材料研制出合格的器件。最近，学校又获得国家资助研制SiC外延生长设备。

在SiC器件结构设计方面，电子科技大学功率集成技术实验室在国际上首先提出二项新理论:宽禁带半导体器件优值理论和宽禁带半导体功率双极型晶体管特性理论［7］，获得众多国际知名学者认同及引用。

在SiC整流器方面，各个研究所和高校，包括中电13所、55所、西安电子科大、电子科大等都研制出600 V～1 200 V的SiC SBD试样品，为SiC器件的发展和应用打下坚实基础。

3 未来发展趋势

目前由于SiC功率整流器结构相对简单，特别是SiC SBD器件已经比较成熟，因此针对国内SiC器件研究水平，应优先大力发展SiC整流器（包括:SBD、JBS、PiN），从器件结构设计和耐压机理分析入手，一方面是对已有器件继续进行优化，使其能满足军事和商业应用;另一方面继续开发更低导通压降，更小芯片面积和更高工作温度的器件，加快国内SiC整流器实用化进程。

［1］王守国，张岩.SiC材料及器件的应用发展前景［J］.自然杂志，2011，3（1）:42-53.

［2］李晋闽.SiC材料及器件研制的进展［J］.物理，2000（29）:481-488.

［3］Bhatnager M，Baliga B.J.Silicon-Carbide High-Voltage（400V）Schottky Barrier Diodes［J］.IEEE Electron Device Letters，1992，13（10）:501-503.

［4］Zhao J.H，Alexandrov P，Li X.Demonstrati on of the First 10-kV 4H-SiC Schottky Barrier Diodes［J］.IEEE Electron Device Letters，2003，24（6）:402-404.

［5］Nishio J，Ota C，Shinohe T，et al.Ultralow-Loss SiC Floating Junction Schottky Barrier Diodes（Super-SBDs）［J］.IEEE Electron Device，2008，55（8）:1954-1960.

［6］盛柏桢，程文芳.碳化硅器件及其应用［J］.电子元器件应用，2001，3（5）:19-28.

［7］Alex Q.Huang，Bo Zhang.The Future of Bipolar Power Transistor［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，2001，48（11）:2535-2543.