在高功率应用中，碳化硅（SiC）的许多方面都优于硅，包括更高的工作温度以及更高效的高频开关性能。但是，与硅快速恢复二极管相比，纯 SiC 肖特基二极管的一些特性仍有待提高。本博客介绍Nexperia（安世半导体）如何将先进的器件结构与创新工艺技术结合在一起，以进一步提高 SiC 肖特基二极管的性能。
合并 PIN 肖特基（MPS）结构可减小漏电流
金属-半导体接面的缺陷是导致 SiC 肖特基二极管漏电流的主要原因。尽管采用更厚的漂移层可减小漏电流，但也会提高电阻和热阻，从而不利于电源应用。为解决这些问题， Nexperia SiC 开发了采用混合器件结构的 SiC 二极管，如图1所示。这种“合并 PiN 肖特基”（MPS）可将肖特基二极管和并联的 P-N 二极管有效地结合在一起。
标准 SiC 肖特基二极管结构（左）和 Nexperia 的 SiC MPS 二极管结构（右）
在传统肖特基结构的漂移区内嵌入 P 掺杂区，与肖特基阳极的金属构成 p 欧姆接触，并与轻度掺杂 SiC 漂移或外延层构成 P-N 结。在反向偏压下， P 阱将“驱使”最高场强的通用区域向下移动到几乎没有缺陷的漂移层，远离有缺陷的金属势垒区域，从而减小总漏电流，如图2所示。P 阱的物理位置和面积（与肖特基二极管的尺寸相比）以及掺杂浓度会影响其最终特性，同时正向压降会抵消漏电流和浪涌电流。因此，在漏电流和漂移层厚度相同的情况下， MPS 器件可在更高的击穿电压下运行。
图2：SiC MPS 二极管的静态 I-V 行为（包括过流）
MPS 二极管具有更出色的浪涌电流稳健性
SiC 器件的浪涌电流性能与其单极性和相对较高的漂移层电阻相关， MPS 结构也可以提高该参数性能。这是因为，双极性器件的差分电阻低于单极性器件。正常运行时， MPS 二极管的肖特基器件传导几乎所有电流，以便像肖特基二极管那样有效运行，同时在开关期间提供相同的优势。在高瞬态浪涌电流事件期间，通过 MPS 二极管的电压会超过内置 P-N 二极管的开启电压，从而开始以更低的差分电阻传导。这可以转移电流，同时限制耗散的功率，并缓解 MPS 二极管的热应力。如果只使用肖特基二极管，而不使用 P-N 二极管，则必须使用尺寸明显超规格的肖特基二极管，以允许目标应用中出现瞬时过流事件。为限制过流，可并联连接器件（或添加额外电路），但这会增加成本。同样， P 阱的尺寸和掺杂需要在正向压降（正常运行期间）与浪涌承受能力之间进行权衡。具体优化选择取决于应用， Nexperia（安世半导体）提供适合各种硬开关和软开关应用的二极管。
MPC 二极管的反向恢复特性
除了具有更出色的静态特性， SiC MPS 二极管在动态开关操作期间也具备诸多优点。其与硅基 P-N 二极管相比的一个显著优势与反向恢复特性有关。反向恢复电荷是造成硅快速恢复二极管功率损耗的一个主要原因，因此对转换器效率会有不利影响。影响反向恢复电荷的参数有很多，包括二极管关断电流和结温。相比之下，只有多数载流子才会影响 SiC 二极管的总电流，这意味着 SiC 二极管能够表现出几乎恒定的行为，几乎不会有硅快速恢复二极管的非线性性能。因此，功率设计人员更容易预测出 SiC 的行为，因为他们无需考虑各种环境温度和负载条件。
创新的“薄型 SiC ”二极管结构可进一步提高 MPS 二极管的性能
Nexperia（安世半导体）的 MPS 二极管在制造过程中减少了芯片厚度，因此具有额外的优势。未经过处理的 SiC 衬底为 N 掺杂衬底，并会生长出 SiC 外延层，以形成漂移区。衬底最初的厚度可达500 µm ，但在外延后，这会给背面金属的电流和热流路径增加额外的电阻和热阻。因此，给定电流下的正向压降和结温也会变得更高。针对该问题， Nexperia（安世半导体）的解决方案就是将衬底的底面“磨薄”。在此工序中，材料质量和研磨精度至关重要，以避免厚度不均匀，进而降低二极管的性能（这会导致现场应用中的器件故障）。此外，由于 SiC 的硬度更高（莫氏硬度等级为9.2至9.3，而硅的硬度等级为6.5），需要采用先进的制造技术。图3显示了该工艺的效果，通过使用 Nexperia（安世半导体）的“薄型 SiC ”技术将衬底厚度减少到原来的三分之一。
图3：与标准的 SiC 二极管结构（左）相比， Nexperia（安世半导体）的“薄型 SiC ”工艺（右）可提高二极管的电气性能和热性能。
因此，从结点到背面金属的热阻显著降低，从而降低器件的工作温度，提高器件的可靠性（由于具备更高的浪涌电流稳健性），并降低正向压降。
总结
可用 SiC 肖特基二极管的数量和类型不断增加，包括使用传统结构的 SiC 肖特基二极管和使用更先进的 MPS 结构的 SiC 肖特基二极管。Nexperia（安世半导体）的新型 SiC 肖特基二极管集成了宽带隙半导体材料（碳化硅）的优点、 MPS 器件结构及其“薄型 SiC ”技术带来的额外优势。凭借其在工艺开发和器件制造方面的专业知识， Nexperia（安世半导体）能够进一步提高这款新产品的性能，使其在当今 SiC 二极管市场中始终保持领先地位。
关于作者：Sebastian Fahlbusch
Sebastian 在电力电子领域拥有十多年的经验，尤其是在碳化硅（SiC）和宽带隙技术方面。他成功地在汉堡联邦国防军大学完成了有关使用 SiC-MOSFET 的新型多级功率转换器构想的博士学位论文。Sebastian 于2019年加入 Nexperia（安世半导体）的产品应用工程师团队，他的主要工作重点是为实现新电源产品提供支持，以强化 Nexperia（安世半导体）的功率产品组合。