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。凭借找元器件现货上唯样商城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。
