具有快速開(kāi)關(guān)和低VCESAT的1200V碳化硅雙極性晶體管

由于能源成本上升和人們積極應對全球變暖，電力電子設備的能源效率已經(jīng)變得越來(lái)越重要。為了提升電力電子設備的能源效率，具有較低功率損耗的功率半導體器件技術(shù)是關(guān)鍵所在。在半導體器件中，功率損耗的降低可以改善系統效率，并帶來(lái)直接的能源節省。降低的低功率損耗同樣是有益的，可以減小系統體積，并增加像在混合動(dòng)力及電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的市場(chǎng)滲透。

隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源和太陽(yáng)能DC/AC轉換應用逆變器市場(chǎng)不斷增長(cháng)，碳化硅(silicon carbide，SiC)功率二極管得到了廣泛應用。SiC二極管技術(shù)的主要優(yōu)勢是快速開(kāi)關(guān)且無(wú)反向恢復。當與超級結FET等快速開(kāi)關(guān)器件一起使用時(shí)，SiC二極管能夠實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)頻率，減少無(wú)源元件并降低總體系統成本。SiC二極管技術(shù)已在現場(chǎng)應用中被證明是可靠的，采用工業(yè)晶圓，使得外延和半導體制造工藝用于SiC成為可能。后面重要的一步就是將向市場(chǎng)推出SiC功率開(kāi)關(guān)管。

SiC功率開(kāi)關(guān)管與SiC二極管一起使用，可以進(jìn)一步減小開(kāi)關(guān)功率損耗，相比Si超級結FET或IGBT，具有顯著(zhù)降低的通態(tài)(on-state)功率損耗?；赟iC功率器件系統的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，可以工作在更高的結溫，采用合適的封裝技術(shù)，器件的工作溫度甚至可以達到250℃。

在SiC功率開(kāi)關(guān)管中，三種相互競爭的技術(shù)MOSFET、JFET和雙極性晶體管(bipolar junction transistor，BJT)均可提供樣品或完全上市的成品。飛兆半導體已經(jīng)開(kāi)發(fā)了額定電壓為1200 V的BJT器件，與硅功率雙極性晶體管截然不同。它具有很高(接近于100)的電流增益，且在大集電極電流下無(wú)衰減；開(kāi)關(guān)速度象單極器件一樣快，并且非常穩健，沒(méi)有二次擊穿問(wèn)題。

圖1顯示了飛兆半導體SiC BJT有源區的橫截面原理圖，該器件是一種垂直外延NPN晶體管，集電極在晶圓的背面?；鶚O-發(fā)射極和基極-集電極結可通過(guò)干法刻蝕來(lái)形成，在有源區內有許多窄發(fā)射極梳狀條，由基極-集電極結環(huán)繞著(zhù)。P型離子注入用于形成低電阻基極歐姆接觸和高壓阻擋結終端。蝕刻和曝光的表面被鈍化，在厚絕緣氧化層沉積后進(jìn)行厚鋁墊(Al pad) 沉積，用于形成發(fā)射極和基極。在SiC BJT芯片的背面進(jìn)行金屬化，可兼容標準的貼片技術(shù)，正面有厚Al層適合厚Al引線(xiàn)粘接。SiC BJT備有兩種封裝：標準TO-247和專(zhuān)用高溫金屬TO-258封裝。這些封裝提供兩種不同的芯片尺寸，分別用于15A和50A額定電流。

圖1 BJT有源區和結端橫截面原理圖

圖2顯示了采用TO-247封裝的1200V SiC BJT在室溫下的IC-VCE特性曲線(xiàn)。SiC BJT具有良好的傳輸特性，并具有確定的導通電阻，類(lèi)似于功率MOSFET。圖3顯示了電流增益、VCESAT 和VBESAT與集電極電流的特性曲線(xiàn)。電流增益隨集電極電流而增加，并在15A的額定電流下，達到略高于100的穩定水平。在高集電極電流下，電流增益無(wú)衰減，因為SiC中的摻雜濃度高于Si功率BJT。因此，在額定電流下高量注入不會(huì )發(fā)生。


圖2 室溫下額定15 A的1200 V SiC BJT 的IC-VCE特征曲線(xiàn)

圖3顯示了VCESAT 隨集電極電流呈線(xiàn)性增加，且在額定電流IC=15A時(shí)，其值為0.75 V。對于具有4.68 mm2有源區(active area)的15A SiC BJT芯片，相應的特征導通電阻(specific on-resistance)僅為2.3 mΩcm2。就我們所掌握的知識，對于任何1200 V額定功率器件，這是最小的特征導通電阻。在VCEO=1200 V時(shí)的關(guān)斷狀態(tài)(open-base)下，15A SiC BJT的漏電流小于10μA，并且擊穿電壓的典型值是1500V。