毕业设计（论文）4H-SiC功率肖特基势垒二极管(SBD)和结型势垒肖特基(JBS)二极管的研究.pdf

西安电子科技大学 博士学位论文4H-SiC功率肖特基势垒二极管（SBD）和 结型势垒肖特基（JBS）二极管的研究作者：陈丰平导师：张玉明教授学科：微电子学与固体电子学中国西安2012年1月嬲螂Study on 4H-SiC Power Schottky Barrier Diode(SBD)and Junction Barrier Schottky(JBS)DiodeByCh en Fengping A dissertation submitted toXidian University in partial f ulf illment f or th e degree ofDoctor of Ph ilosoph yinMicroelectronics and Solid-State ElectronicsWritten under th e direction ofProf essor ZHANG YumingXian,P.R.Ch inaJanuary,20127作者简介陈丰平，浙江杭州人。2006年7月毕业于西安电子科技大 学，获学士学位。2006年8月入西安电子科技大学攻读硕士学 位，2008年3月提前攻读博士学位，并于2012年3月获西安 电子科技大获工学博士学位。导师：张玉明教授。主要研究方向：4H-SiC材料，4H-SiC功率二极管的结构 和仿真，4H-SiC器件工艺等。代表性成果及经历：已在中国物理B、半导体学报、EDSSC 2010等权威、核心刊物和学术会议发表学术论文11篇。获得授权发明专 利1项，申请受理发明专利4项。参与陕西13115创新工程项目1项，国家自然 基金项目1项，以及教育部重点实验室基金1项。Ch en Fengping,was bom in Hangzh ou,Zh ejiang Province,Ch ina,in 1983.He received h is B.A.in Microelectronics f rom Xidian University,Xian,Ch ina,in 2006.Th en h e studied at Xidian University since August 2006 f or a Masters degree,becoming a doctoral candidate in March 2008,and conf erred a Ph.D.degree in March 2012.Advisor Prof Zh ang YumingHis research interests including:4H-SiC material,design and simulations of 4H-SiC power diode,f abrication of 4H-SiC devices.He h as publish ed 11 journal and conf erence papers in Ch inese Ph ysics B,Journal of Semiconductors,and EDSSCC 2010.He h as also auth ored one Ch inese patent.西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：翅彳 H 期：I牛西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律著名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在_年解密后适用本授权书。本人签名：豳 4中 导师签名：日 期：日 期：必,工牛摘要摘 要碳化硅(SiC)由于具有禁带宽度大、临界位移能高、热导率高等优点而成为 制作高温、高频、大功率和抗辐射器件极具潜力的宽带隙半导体材料。在功率系 统中，一个良好的整流器件应具有较小的导通电阻、较低的泄漏电流、较高的击 穿电压以及较快的开关速度等特性，因此SiC功率肖特基势垒二极管(SBD)和 结型势垒肖特基(JBS)二极管就成为了很具潜力的应用器件类型。国外对于SiC SBD和JBS二极管已经有了诸多报道，并且在近些年来取得了长足的发展，而国 内对于SiC功率器件制作的报道相对较少。虽然SiC材料和工艺都取得了一定的 进步，但是由于SiC材料的特殊性，在SiC器件制作工艺方面仍然存在诸多不足。本文主要在以下几个方面对4H-SiC功率SBD和JBS二极管的设计、仿真和制作 做出了针对性研究：1.理论分析了 4H-SiC功率SBD和JBS二极管的器件特性和工作特点，建立 合适的理论模型，通过ISE-TCAD软件进行器件特性的仿真，并分析了器件结构 中的关键参数对于器件特性的影响。2.对SiC器件制作过程中的关键工艺进行了分析和研究。通过LPCVD非故 意掺杂生长得到了质量良好的4H-SiC N.同质外延层：原子力显微镜(AFM)测试得 到其平均面粗糙度(Ra)为0.64nm,均方根粗糙度(RMS)测试结果为0.78nm；傅里 叶红外线光谱分析(FTIR)测试得到其平均厚度为10pm；次级离子质谱法(SIMS)测 试得到其掺杂浓度为10”cnf 3量级。另外还通过Trim软件仿真和实验SIMS测试 结果的对比分析，研究了离子注入的剂量、能量的选定，获得了选择性掺杂的工 艺条件。对离子激活退火的保护也通过碳膜掩蔽的方法有效控制了高温退火导致 的Si升华问题，通过碳膜保护退火获得的表面RMS测试结果为7.03nm,对于未 作保护的RMS为54.77nm的表面有显著提高。3.仿真研究了采用场限环终端的JBS二极管器件特性，并流片制作了采用场 限环终端的SBD和JBS二极管。通过两种区别工艺制作P型欧姆接触，即独立制 作P型欧姆接触金属及退火和一次完成正电极与欧姆接触制作的工艺，对比了两 种工艺条件下的器件直流特性，分析了工艺过程对于器件特性的影响。4.针对场限环终端对于表面电荷敏感的缺陷提出了在4H-SiC SBD和JBS二 极管中引入偏移场板终端。通过仿真和理论分析详细研究了氧化层中电荷对于器 件反向特性的影响，同时确定了结构参数。通过实验流片制作偏移场板终端的SBD 和JBS器件，并通过直流特性测试、开关特性测试、以及变温测试等方法详细研 4H-SiC功率肖特基势垒二极管（SBD）和结型势垒肖特基（JBS）二极管的研究究分析了器件特性。通过采用B离子和A1离子共同注入的方法制作P+结，在获得 较大结深的同时能够有效减小反向恢复时间，常温下得到了反向恢复时间仅为 44ns的4H-SiC JBS二极管。同时变温条件下的测试也证明了 4H-SiC整流器在高 达3001的条件下仍具有优越直流特性和开关特性。5.针对离子注入工艺和离子激活退火工艺对于器件特性的影响，进行了浮金 属场环终端的4H-SiC SBD的流片实验，并分析了 Ti和Ni两种金属所形成的肖特 基势垒情况。采用Ti制作的SBD在4.4V正向偏压下达到了 160045?的电流密 度，而采用Ni制作的SBD在反向偏压200V下获得了小于lOA/cn?的反向漏电 流，还获得了击穿电压达到850V的4H-SiC SBD,另外详细研究了结终端扩展JTE 对于提高4H-SiC SBD器件特性的作用，通过仿真分析了 JTE关键参数对于反向击 穿电压、表面电场分布的影响，给出了 JTE的设计要点和优化参数。在流片实验 中测得了击穿电压达到950V的JTE终端的4H-SiC SBD,正向电流密度在5V时 为 803A/cm2o关键词：4H-SiC,肖特基势垒二极管，结型势垒肖特基二极管，直流特性，开关 特性AbstractAbstractSilicon Carbide(SiC)h as received a substantial increase in research interest due to its wide band gap,h igh critical f ield strength,h igh radiation tolerance and excellent th ermal conductivity.SiC-based devices are deemed as a candidate to replace Si-based devices in applications of h igh temperature,h igh power,and h igh radiation h ardness.In a power system,a well-built rectif ier sh all h ave low conduct resistance,low reverse leak age current,h igh break down voltage and f ast switch ing speed,mak ing SiC a candidate f or h igh-perf ormance Sch ottk y barrier(SBD)and junction barrier Sch ottk y(JBS)diodes.SiC SBDs h ave been studied and reported worldwide,but th e national reports,especially th ose about f abrication,are relatively limited.Th ough th e material quality and tech niques h ave been improved enormously,th ere are still many problems lef t to be studied and improved.In th is work,4H-SiC SBD and JBS diodes h ave been th us designed,f abricated and ch aracterized,th e main work including:1.Th e ch aracteristics of 4H-SiC SBD and JBS diode were simulated and analyzed.Suitable models were built based on th e perf ormance of th e devices,and th e simulation using ISE-TCAD was carried out to understand th e inf luence of th e structure on th e ch aracteristics of devices.2.Th e k ey tech niques in manuf acturing SiC devices were analyzed.N epilayers were grown on th e 4H-SiC substrate by LPCVD and ch aracterized using FTIR,SIMS,and AFM.Furth ermore,Trim was used f or th e simulation to determine th e dosage and energy f or selective doping with ion-implantation,and th e simulated results were compared with th e empirical f indings.Finally,a study on active annealing was carried out;and results sh owed th at mask ing by carbon f ilm ef f ectively protects th e surf ace of th e waf er during annealing.3.A JBS diode terminated by f ield guarding ring(FGR)was simulated,and both SBD and JBS diode using FGR were f abricated.Two dif f erent tech niques were employed in f abricating th e P-type Oh mic contact:independent metal deposition and annealing,and simultaneous f abrication of th e Sch ottk y contact and oh mic contact.Th e DC ch aracteristics of devices produced by th ese two meth ods were compared to understand th e dif f erence between th ose two tech niques.4.Directed towards th e sensitivity of th e devices on th e ch arges in th e oxidation layer,th e of f set f ield-plate(of f set-FP)was employed as th e edge termination of SBD 4H-SiC功率肖特基势垒二极管(SBD)和结型势垒肖特基(JBS)二极管的研究and JBS diode.With stimulation and th eoretical analyses,ef f ects of th e ch arges in oxide layer were studied,and th e structure were determined th ereby.Th e devices were ch aracterized by DC and switch ing tests;all th ese tests were also carried out in a varied temperature to sh ow th e temperature dependence of th e devices*perf ormances.Th e reverse recovery ch aracteristics sh ow th at with B and Al ion co-implantation,th e recovery time of a 4H-SiC JBS is remark ably reduced to 44ns at room temperature.5.A Floating metal ring(FMR)was f abricated as th e edge termination f br 4H-SiC SBD to avoid ion-implantation and activating annealing.Ti and Ni were employed to f orm th e Sch ottk y contact.Using Ti contacts,SBD reach ed a f orward current density of 1600A/cm2 wh en f orward voltage is 4.4V.Meanwh ile,Ni contacts f ormed a h igh er Sch ottk y barrier h eigh t,yielding SBDs with lower reverse current density,wh ich is lower th en 107A/cm2 with in 200V,and 4H-SiC SBD break down voltages of 850V were ach ieved.Furth ermore,junction termination extension(JTE)was also simulated in study of SBD to f ind suitable parameters of structure.In th e experiment,a 4H-SiC SBD terminated by JTE with break down votage of 950V is ach ieved;th e f orward current density of wh ich is 8O3A/cm2 at 5V.Keywords:4H-SiC,Sch ottk y barrier diode,junction barrier Sch ottk y diode,DC ch aracteristics,switch ing ch aracteristics目录1目录摘 要-1Abstract.10录 1第一章绪论_.-.-1.1 SiC功率器件的应用背景和前景.I1.2 SiC的特性简介.31.3 SiC功率器件的主要进展.51.3.1 功率整流器.51.3.2 功率开关.81.3.3 射频功率器件.111.4 国内外SiC功率二极管的研究现状与存在的问题.151.5 本文的主要工作.18第二章器件物理以及模型-212.1 肖特基二极管的器件物理.212.1.1 正向导通特性.212.1.2 反向阻断特性.222.2 PiN二极管的器件物理.242.2.1 正向导通特性.242.2.2 反向阻断特性.262.3 JBS二极管的器件物理.282.3.1 正向导通特性.282.3.2 反向阻断特性.302.4 反向恢复特性.302.4.1 PiN二极管的反向恢复特性.312.4.2 JBS二极管的反向恢复特性.332.5 本章小结.34第三章4H-SiC SBD.JBS二极管关键工艺的研究.“.“.353.1 关键工艺介绍.352 4H-SiC功率肖特基势垒二极管（SBD）和结型势垒肖特基（JBS）二极管的研究3.1.1 外延生长.353.1.2 离子注入和激活退火.363.1.3 欧姆接触.373.2 关键工艺的实验和测试.383.2.1 N外延层的生长.383.2.2 离子注入和激活退火.403.3 本章小结.44第四章采用场限环的4H-SiC二极管研究-454.1 场限环理论.454.2 采用场限环的4H-SiC整流器件的仿真.464.2.1 仿真模型与参数.464.2.2 仿真结果及分析.494.3 采用场限环的4Hsic整流器件的实验.534.3.1 实验流程.534.3.2 测试结果及分析.554.4 本章小结.57第五章采用偏移场板的4H-SiC二极管的研究_595.1 偏移场板理论.595.2 采用偏移场板的4H-SiC二极管的仿真.605.2.1 仿真结构与参数.605.2.2 仿真结果及分析.615.3 采用偏移场板的4H-SiC二极管的工艺和实验.645.4 实验结果及分析.665.4.1 变温直流I-V特性测试.665.4.2 变温反向恢复特性测试.705.5 本章小结.73第六章4H-SiCSBD二极管的边界终端研究-756.1 采用浮金属场环的SBD实验以及测试.756.1.1 工艺设计.766.1.2 测试结果及分析.776.2 采用结终端扩展的SBD仿真和实验.806.2.1 JTE终端的SBD仿真.806.2.2 实验及测试结果分析.83目录36.3 本章小结.86第七章总结.87致谢-_91参考文献攻读博士学位期间的研究成果.1074 4Hsic功率肖特基势垒二极管(SBD)和结型势垒肖特基(JBS)二极管的研究第一章绪论1第一章绪论1.1 SiC功率器件的应用背景和前景时至今日，基于硅(Si)材料的功率器件已经随着其结构设计和制造工艺的日趋 完善而接近由材料本身特性所决定的理论极限，因而依靠提高Si器件的设计和工艺 来继续完善和提高其性能所表现出来的潜力十分有限。另一方面，由于航海、航 空、航天、高速轨道交通、智能电网等技术的发展，对于功率器件的性能提出了 更高的要求。同时，由于能源危机和环境问题的日益突出，对于如何减小能源浪 费，减轻环境污染等问题也急需解决的方法，由此衍生出混合电气动力汽车、太 阳能和风能发电等应用领域也对功率器件提出了新的要求。碳化硅(SiC)以及氮化铁(GaN)作为继楮(Ge),Si,珅化保(GaAs)之后的新一代 微电子器件和电路的半导体材料，以其良好的物理和电学特性进入了人们的视野,为提高功率器件的性能提供了新的选择。然而多年来，由于SiC材料和器件的制备 工艺难度大、成品率低，因而价格较高，影响其向民用市场的推广应用。自2007 年至今，市场上的商用SiC衬底片从50 mm发展到150 mm,SiC衬底的直径越来越 大，并且位错、微管等缺陷的密度也越来越低，从而使SiC器件的成品率提高、成 本降低，生产SiC产品的厂商越来越多，更多的领域开始使用SiC器件”凡图1.1显 示了几种主要SiC器件的应用领域，在这些应用中，SiC器件的优势主要体现在：(1).提高功率因数校正器的(PFC)的效率：SiC的应用能够提高PFC电路效率，使功率发射系统能够工作在更高的频率和更高的温度，并能够在保证性能的情况 下减小总电路数。(2).提高混合电气动力汽车(HEV)功率转化性能：SiC功率器件可以提供更高 的击穿电压、更低的开启电阻、更大的热导率，以及能够使其工作在高达600C的 温度下。用SiC功率器件替代Si器件能够减小空间、体积，并在功率方面有所提高。(3).减少船舰、飞行器的系统重量：采用SiC功率电子模块，将使变压器的体 积和重量减少一半以上，利用体积和重量的缩减，可以更好的配置其他测试仪器、传感器、武器和其他设备。(4).提高功率传输效率：基于SiC的高电压传输系统能够在高电流密度，低正 向电压降下工作，从而减小在能源从发电站传输到用户过程中的损耗。(5).极端恶劣环境中的应用：由于SiC器件具有优秀的耐高温、抗辐照特性，可以在恶劣的环境中稳定工作。2 4H-SiC功率肖特基势垒二极管(SBD)和结型势垒肖特基(JBS)二极管的研究图LISiC器件的应用领域High-Voltage图1.2显示了法国市场调研公司Yole aveloppement给出的调研数据口2,由图 可知从2008年至2013年，SiC器件市场的年增长率将达到19.7%,而从2013年至 2016年的年增长率将为55%,从2016年至2019年的年增长率将为57.2%,由此可见,SiC正在迎来它快速发展的阶段。国内有若干研究机构、企业已经开始涉足SiC单 晶的生长、器件的制作等方面的研究工作，但整体还面临着工艺水平较低、工艺(sw)，.s5 箜 XW2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2D17 20U 2019图1.2 丫 o!e Dveloppement公司给出的SiC器件发展情况报告第一章绪论31.2 SiC的特性简介SiC之所以得到青睐，是由于其材料本身具有优越的性能。对于功率器件应用 来说，关键的材料参数有：禁带宽度（Eg）,本征载流子密度河），临界击穿电场（EJ,电子迁移率S”），载流子饱和速率（%），半导体电容率仁）以及热导率（k）。表1中 显示了 3c4H-,6H-碳化硅（SiC）以及其它几种常见半导体材料的相关参数，由 表可知SiC具有宽禁带宽度（约Si的3倍），高雪崩临界击穿电场（约硅的8倍），以 及高热导率（Si的3倍）。表1.1几种半导体材料的材料参数口“刀材料Eg(eV)(cm2/V-s)Ec(MV/cm)%(107cm/s)G(F/cm)K(W/cm-K)Si1.113500.31.011.81.5GaAs1.485000.4212.80.5GaN3.399003.32.5111.33C-SiC2.29001.22.09.74.54H-SiC3.261190c950a2.22.09.74.56H-SiC3.0370c420a2.42.09.74.5金刚石5.4519005.62.75.520a:迁移率_Lc轴，c:迁移率c轴。对于高压器件，往往需要采用一层很厚的、具有轻掺杂的漂移层来提高反向 击穿特性，而采用Si器件，引入很厚的轻掺杂漂移层会导致开启功耗的大大增加。因此，前面所述的SiC所体现出来的优势就使其在大电压、高功率应用中具有很 大的优势。为了对SiC材料的优势进行量化的计算，由Joh nson,Keyes以及Baliga等 人提出了几种不同的品质因数，针对不同的特性进行定量评价。其中Joh nson品质因数与半导体晶体管的频率和功率输出有关,可由以下式子 计算得到口支（等）。-1）Keyes品质因数提供了集成电路中使用的晶体管开关特性的温度限制，由下式 给出【叫4 4H-SiC功率肖特基势垒二极管(SBD)和结型势垒肖特基(JBS)二极管的研究CV)2KFOM=k(1-2)(2%J其中c是真空中的光速，是介电常数。Keyes假设了在一个固定的输入阻抗 水平下，较小的器件具有更快的开关特性。然而，器件尺寸越小，其热阻也就越 大，从而导致功率输出变小。Baliga品质因数主要表证单极性功率器件正向开启时的导通损耗，其公式为 110,*即加=4左/必=/国(1-3)其中期是载流子迁移率,外是击穿电压。该品质因数基于功率损耗只取决于 正向开启和反向截止，而在两个状态切换的过程中的开关损耗则忽略的假设。这 种假设对于处在低频工作下的器件是非常有效的，因为此时导通损耗占主导地位。但是对于高频应用中的场效应管而言，电阻热耗，开关损耗也需要纳入总功耗的 计算。基于分析如何减小由于电荷存储和电阻加热的功率损耗，Baliga又提出了一 个适用于评价高频开关性能的品质因数BHFFOM11111：BHFFOMf Eiv?克(1-4)其中匕为栅偏压，力了与尻成正比关系。表1.2列举了上述品质因数根据表 1.1所得的计算值(以Si为标准)，品质因数数值越高则材料特性越好。所有的参数,特别是BFOM和BHFFOM显示SiC、GaN以及金刚石比Si更适合大功率，以及 高频应用。较大的BFOM体现出SiC能够通过更薄的漂移层获得所需的击穿电压,并且获得更小的开启串联电阻。而较大的BHFFOM则显示出采用SiC可以采用更 小的有源区，从而减小有源区电容，因而可以获得更高的工作频率。表1.2几种半导体材料对硅的归一化品质因数材料JFOMKFOMBFOMBHFFOMSi11.011.0GaAs70.5167.3GaN7561.48272.23C-SiC644.7351.34H-SiC2154.7286c228a2.4C1.9a6H-SiC2564.7115c13180.8c0.9a金刚石254232.142676.1a:迁移率_Lc轴，c:迁移率c轴。第一章绪论51.3 SiC功率器件的主要进展随着当今社会能源危机的日渐显著，如何在功率电子方面减小能源消耗成了 一个非常重要的课题。除了缩小系统体积、重量，减小静态以及动态的功率损耗,人们还在寻找新的解决方法。SiC功率器件就是满足这一需求的前沿性领域。SiC 由于自身材料的优势，能够突破很多Si器件存在的限制。SiC功率电子方面的研 究正在日渐成熟，随着SiC材料质量的提高，SiC器件的设计和工艺水平也不断提 高，这一技术正处在走向市场化的阶段。本章节主要介绍了现阶段较新的SiC功率器件。1.3.1 功率整流器在功率整流器中应用最广的有如下几种二极管：1.功率肖特基势垒二极管(SBD)SiC SBD于2001年进入市场，表1.3总结了现在已经商品化的SBD二极管。SiC SBD的阻断电压以及导通电流不断提升,从开始的300V/10A和600V/6A到现 在的600V/20A甚至是L2k V。以这样的增长速率，可以预见这样的二极管将在中 等功率马达驱动模块中完全取代Si的双极型二极管。功率因数控制器(PFC)以及高 压次级整流等应用中也能够采用600V的SiC SB Di，,2,o另外，SBD还期望能够实 现高达3.5k V的阻断电压。-表1.3几种商品化的SiC肖特基整流器参数口网公司vb(V)If(A)Vf If(V)Ir(M)Cree1.2k5-201.6200Cree6001-201.6200Inf ineon6004.121.5100Inf ineon300101.520Microsemi2001-413-1.850Microsemi4001-413-1.850Microsemi6001-41.3-1.850Rock well1.2k7.52.110Semelab6005PreliminarySemelab1.2k5与Si相比，采用相同厚度的SiC漂移层能够得到10倍的阻断电压。由于SiC 4H-SiC功率肖特基势垒二极管（SBD）和结型势垒肖特基（JBS）二极管的研究SBD具有很快的开关速度，因此它们能够使用于高速开关的应用。在DC-DC模块 中的效率测试证实了随着温度和转换频率的提高（温度200C,频率150k Hz）,SiC SBD整流器比之超快Si PN结二极管具有更高的效率，并且显示了采用SiC后，SBD在高温、高频工作下的明显优势皿久我们期待SiC SBD整流器商品进一步地提高阻断电压和导通电流水平。对于 3-5k V,100A以内的典型应用，SiC SBD具有很大需求，但是现在的工艺水平还 无法满足这一点。另一个限制SiC SBD发展的是其单极型本质相关的温度特性。随着温度升高，它的导通电阻会大大增加，从而限制了器件对于浪涌电流的承受 能力。为了解决这一问题，结型势垒肖特基（JBS）二极管也就应运而生。2.SiC PiN 二极管4H-SiC PiN二极管最好的正向I-V特性由外延PN结工艺得到口均。离子注入 结之所以不能得到较好结果主要是因为由离子注入产生的晶格损伤不能够得到有 效的修复。由于SiC的宽禁带，正向电压需要达到约3V才能使得SiC PiN二极管有效开 启，因此在正向偏压同等的情况下，其电流值会远远小于SiC SBD,而功率电子 高压应用同时也需要较高的电流水平，因此需要较大的器件面积来达到。然而，由于材料限制，大面积器件的产量仍然很低。无论如何，SiC PiN二极管具有很好 的前景，事实上4H.SiC PiN二极管的研究方面已经取得了很大的进步。CREE报 道他们生长的厚度达到lOOm（阻断电压10k V）和200|im（阻断电压20k V）的外延漂 移层，将这样的外延层用于PiN二极管制作得到正向电压降（电流密度为lOOA/cn?时）分别为3.9V和6.3VIU6。制作大面积二极管，能实现50A的导通电流和10k V 的阻断电压。但是，有文献报道高功率SiC PiN二极管在长期工作后会出现正向电压降增加 的情况山71。多种测试手段表明在器件工作过程中会使得外延层产生结构缺陷。这 些结构缺陷解释为4H-SiC（0001）底面上的堆垛层错，在电气应力环境中，在整个 N型外延层上会逐渐地繁殖。这些堆垛层错，或者与之相关的缺陷会具有复合中 心的作用，从而减小材料中的载流子寿命。令人鼓舞的是CREE报道了一种工艺 修正方法0，能够抑制上述特性退化的现象。不同于Si二极管，SiC双极型二极管的反向恢复电流波形对于受温度变化的 影响并不明显（到200C严叫图1.3中显示了 12和19k V的4H-SiC PiN二极管以 及Si PiN整流器的反向恢复曲线。从图中可以明显看到SiC PiN二极管的反向恢 复电荷（4）和反向恢复时间（J）在相同电压下都比等效的Si二极管要小。第一章绪论7，二 u ax l n oTime(ns)图 1.3 15k V(Type A)和 19k V(Type B)两种 4H-SiCPiN 整流器 与400V Si PiN整流器的反向恢复特性电流曲线对比图W”SiC PiN整流主要应用在电压超过3k V的应用中，需要解决正向特性退化的问 题，但是，3k V/600A的PiN二极管模块已经有了成功地应用“电。3.SiC JBS 二极管SBD在阻断电压为3k V以下的应用中占有主导优势，但是其反向漏电流却较-大，特别是在高温情况下，反向漏电流受到因反向电压较高时的肖特基势垒降低 效应影响增加更为显著。如果有一种器件能够同时具备PiN和SBD的优点，即具 有SBD的小开启电压、大导通电流、快开关速度，又具有PiN的低漏电流、高击玄 穿电压，这将是最好的选择。为此，Wiliamovsk ig。】和Baliga”却为了提高肖特基,二极管的反向阻断特性而首先使用了 JBS的概念；Baliga”到为了改善高压硅整 流器的正向和反向特性而提出了混合PiN/肖特基(MPS)二极管结构，两种器件基本 结构相同，随着器件工艺的发展和性能的提高，JBS与MPS的区分也逐渐淡化，本文中采用国际范围内应用更广的JBS进行叙述。JBS基本结构的示意图如图1.4,将PN结集成在肖特基结构中。当JBS正向偏置时，PN结空间电荷区宽度变窄，肖特基二极管在较低的电压下首先开启，而PN结无法开启，此时JBS的正向特性 主要由肖特基二极管的特性决定。当JBS反偏时，PN结形成的耗尽区将会向N型 区扩展，在一定反偏电压下，相邻的PN结耗尽区就会连通，并且耗尽层随着反向 偏压的增加向寸衬底方向扩展。这个耗尽区将肖特基界面屏蔽于高场之外，避免 了肖特基势垒降低效应，此时JBS的反向特性主要由PiN二极管来确定，使反向 漏电流大大减小。JBS的正向特性类似SBD,只是电流密度由于P型区的原因而 略小，而反向特性则更像PiN二极管。另外，采用JBS结构可使我们灵活地选择 势垒低的金属作为肖特基接触而不用担心反向漏电流会增加，目前研究SiC JBS 整流器的报道很多，而且也取得的很好的结果。P.Broseelard等人报道了采用20Hm 8 4H-SiC功率肖特基势垒二极管(SBD)和结型势垒肖特基(JBS)二极管的研究厚外延和JTE终端制作的3.3k V SiC JBS,其正向特性达到了 1.5丫/20火1汹，另外 还有Jun Wang等人报道了 10k V SiC JBS在X射线发生器中的应用情况，详细研 究了其温度特性，在200c内获得了良好的测试结果旧久AnodeHCath ode图1.4 JBS和MPS二极管的结构1.3.2功率开关在SiC功率开关中，常用的有以下几种器件：1.纵向 JFETo纵向结型场效应晶体管(VJFET)是一种电压控制的器件，SiC的采用能够得到低导 通电阻，超快的开关速度，以及高温、高辐射情况下很好的稳定性UL28。4H-SiC VJFET的设计方法主要有两种，即纵向单沟道SiC VJFET和双沟道SiC VJFET,图1.5旧6，1网显示了两种典型的器件结构。两种结构各有优缺点，对于中低压应用(600