SiC肖特基二极管器件设计方案解析

碳化硅（SiC）由于其固有的宽带隙和高导热性的材料特性而被广泛用于中高压电力半导体器件的制造中。如今，肖特基二极管，MOSFET和JFET是市场上最受欢迎的SiC功率器件。尤其是SiC肖特基二极管已成功用于电力应用近20年。最早的SiC肖特基二极管采用纯肖特基势垒二极管（SBD）结构。后来，它发展成为一种具有低反向泄漏电流的结型势垒肖特基（JBS）结构。最新的结构称为合并式PN肖特基（MPS），其浪涌电流处理能力大大提高。

WeEn Semiconductors于2014年发布了基于100mm SiC晶片的650V SiC MPS二极管，并于2017年发布了基于150mm高质量SiC晶片的650V SiC MPS二极管。今年早些时候，基于成熟的150mm晶片技术，WeEn推出了1200V SiC MPS二极管和AEC。 -Q101汽车级650V SiC MPS二极管。

拥有50多年的悠久历史，WeEn在功率半导体器件设计方面拥有丰富的经验。设计过程包括根据客户需求，使用EDA工具进行设备和过程仿真，掩膜设计和过程设计，铸造中的制造，组装以及可靠性测试来设置设计目标。经过几轮试验，优化，寿命测试和应用测试，发布了具有最佳设计的合格产品。

为了追求最佳的器件性能，所有WeEn SiC肖特基二极管均采用了合并式PN肖特基（MPS）结构。在高的正向电流密度下，PN结将开始向二极管的漂移区注入少数载流子（电导率调制），并将接替肖特基结的电流传导。因此，在高电流密度下，MPS将具有比常规JBS结构更低的正向电压降。这使得MPS器件能够承受更高的浪涌电流。但是，增加PN面积将导致较少的肖特基面积。当双极结构尚未运行时，这会导致额定正向电流下的“导通电阻”增加。因此，在标称正向传导能力和浪涌电流处理能力之间需要权衡。精心设计的P+岛和专有的欧姆接触过程，实现了有效的浪涌电流传导路径，对有效肖特基面积没有显着影响。这使WeEn SiC MPS二极管具有出色的浪涌电流处理能力，而不会损失标称电流传导能力。

图1：WeEn SiC MPS二极管的示意截面图和电流分布

适用于生产功率器件的SiC晶片由两层组成：厚的衬底层和生长在其上的薄的外延层。厚的基板为大型SiC晶片提供了在半导体加工，处理和运输过程中所需的机械稳定性。然而，基板的电功能是最小的。阻挡高反向电压的二极管功能被外延层覆盖，并且仅在正向操作中，衬底才充当电流传导路径。不幸的是，该电流传导路径具有串联电阻。市售的SiC衬底没有提供高掺杂浓度，因此串联电阻非常明显，尤其是对于650V SiC器件。这导致不希望的功率损耗。

图2：WeEn NXPSC04650 4A，650V MPS二极管和其他公司的JBS二极管在25℃时的正向IV特性比较

SiC是一种非常坚硬的材料，它对诸如磨削的机械处理提出了许多挑战：防裂，表面粗糙度和厚度均匀性–仅举几例。尽管如此，领先的制造工艺和出色的质量控制使WeEn能够提供碳化硅产品，其碳化硅产品的厚度仅为市场上标准产品的1/3。薄裸片使WeEn SiC二极管具有更好的电流传导能力和更低的热阻。

严格的生产管理和质量控制是保证产品性能稳定的基本要素。为了向客户提供最可靠的SiC二极管产品，WeEn建立了全面的质量和可靠性控制系统和程序。所有SiC产品必须通过100％静态参数测试，100％浪涌电流处理测试（I FSM）和100％雪崩能力测试（UIS）。产品符合JEDEC标准或什至更严格的可靠性测试要求；例如，HTRB测试时间从1000小时延长到3000小时。

凭借其出色的材料性能，SiC肖特基二极管的性能要比硅PN结二极管好得多。结合先进的芯片设计能力和成熟的制造工艺，WeEn现在可以制造出卓越的SiC肖特基二极管。

编辑：hfy