30 A 4H-SiC肖特基二极管作为IGBT续流二极管的研究

1、30 A 4H-SiC肖特基二极管作为IGBT续流二极管的研究第3O卷第2期2010年6月固体电子学研究与进展RESEARCH&PROGRESSOFSSEVo1.30,No.2Jun.,2010600V一30A4HSiC肖特基二极管作为IGBT续流二极管的研究李宇柱倪炜江李哲洋李贾陈辰陈效建(南京电子器件研究所,单片集成电路和模块国家级重点实验室,南京,210016)2010一Ol一15收稿,20100223收改稿摘要:采用碳化硅外延和器件工艺制造了碳化硅肖特基(SBD)二极管,耐压超过600V.正向压降为1.6V时,器件电流达到30A.作为IGBT续流二极管,600V碳化硅肖

2、特基二极管和国际整流器公司的600V超快恢复二极管(Ultrafastdiode)进行了对比:125IGBT模块动态开关测试中,碳化硅二极管的反向恢复能耗比硅二极管节省9O%,相应的IGBT开通能耗节省3o.另外反向恢复中过电压从4O降为10,这是由于碳化硅的软度高,提高了模块的可靠性.关键词:4H碳化硅;肖特基二极管;快恢复二极管;软度中图分类号:TN31l.8;TN304.054文献标识码:A文章编号:10003819(2Oio)0229205600V-30A4H-SiCSBDUsedasFreewheelingDiodeforIGBTModuleIIYuzhuNIWeijiangLIZh

3、eyangLIYunCHENChenCHENXiaojian(NationalKeyLaboratoryofMonolithicIntegratedCircuitsandModules,NmoingElectronicDevicesInstitute,Nanjing,210016,CHN)Abstract:The600V4HSiCSchottkyBarrierDlode(SBD)wasdesignedandfabricatedbased011inhouseSiCepitaxyanddevicetechnology.TheSiCSBDwaspackagedtogetherwithtotalcur

4、rentof30Aandforwardvoltagedropof1.6V.AsafreewheelingdiodefortheSiIGBT(switchingmeasurementsweredoneat125C),the600VSiCSBDwascomparedtothe600VultrafastdiodefromInternationa1RectifierCo.TheSiCdiodeachieved90recoverylOSSreductiontheandcorrespondingIGBTshowed309/6lowerturnonloss.Alsothevoltagespikewasred

5、ucedfrom40%to1OduetohighsoftnessoftheSiCSBD.Keywords:4HSiC;SBDdiode;ultrafastdiode;softnessEEACC:2520M;2530D;2550;2560H引言用于工业控制的逆变器电路中,续流二极管(Freewheelingdiode)越来越表现出举足轻重的作用.硅PiN二极管经历了标准二极管,快恢复二极?联系作者:Email:micronedil63.corn管和超快二极管等多个产品技术世代,在外延材料,器件结构和工艺开发上精益求精,努力追求各种性能的平衡,已经发展到了极致.然而当功率系统发展到更高功率密度和更

6、高频率时,对续流二极管的要求也将随之而提高.肖特基二极管是单极器件(Unipolardevice),2期李字柱等:600V一30A4HSiC肖特基二极管作为IGBT续流二极管的研究293没有少数载流子,因此不但反向恢复快而且软度好.但是硅肖特基二极管的击穿电压很低,只能用在100V以下的低压电路中.碳化硅(4HSiC)材料具有高功率密度,耐高温等优良特性,给肖特基续流二极管新的未来,目前已经有10kV的高压碳化硅肖特基二极管的报道j.国外碳化硅肖特基二极管已经产业化,英飞凌,Cree等厂家可以提供600v/1200V,22OA的碳化硅肖特基二极管,其主要市场为高频开关电源(SMPS)和功率因数

7、校正电路(PFC)等.但是碳化硅SBD作为续流二极管的应用报道不多.国内有一些碳化硅肖特基二极管的研究报道,但是电流较小.文中利用自主技术,完成了外延材料制备和600V30A器件制造,并测试了碳化硅肖特基二极管作为IGBT续流二极管的动态特性.1器件器件外延生长在EPIGRESS公司的VP508外延炉中进行.其典型外延温度在1550Cl600C之间,生长压力为5O150mbar,H作为稀释气体及载气,高纯氮气作为N型掺杂源,Sill和C.H.作为生长源,使用射频电源加热,基座采用气浮旋转技术以提高外延浓度厚度均匀性.外延生长温度设定为1570C.7el5,8p.m,drilllayerle18

8、,1gm,bufferlayer4HSiCNsubstrate图l碳化硅SBD的外延结构图Fig.14HSiCSBDepilayerdesign图1是典型的碳化硅SBD的外延结构图.衬底采用偏向<112O>方向8.的导通型4HSiC单晶,引入1btm,掺杂浓度lel8的缓冲层是为减小N衬底和漂移层之间由于掺杂浓度差异而带来的应力.漂移层的厚度为8tim,而VP508外延炉的典型生长速率为4um/h,这意味着如果采用常规工艺生长8tim的漂移层需要连续进行2h生长,这样不仅增加了生长过程中的资源的消耗,也会使薄膜的表面质量降低.通过对外延工艺条件的优化,调整温度,温度

9、梯度和反应室压力对体系中硅组分浓度的影响,通过加大硅烷流量将生长速率提高至12tim/h.由图2可以看出,生长的外延片表面光滑平整.图2生长的外延薄膜表面原子力图像Fig.2AFMpictureof4H-SiCepiwafer器件工艺主要包括如下步骤:4HSiC外延片经过清洗后,形成光刻标记;光刻形成结终端图形后,通过Al离子注入形成边缘结终端口.器件钝化采用200nm的PECVDSiO2层;背面溅射100nm的Ni层,并进行1000C的真空退火,以形成良好的背面欧姆接触.正面肖特基接触采用溅射的Ti/Au金属层,厚度为200nrn/300nm.完成的器件横截面示意图如图3所示.Schottk

10、ycontactOhmiccontact图3碳化硅SBD的横截面示意图Fig.3Schematiccrosssectionviewof4HSiCSBD碳化硅SBD的一特性测试使用的设备是Tektronix371半导体参数分析仪.封装的总芯片面积达8.75mm.其正向和反向特性如图4所示.由图可以计算出,正向压降为1.6V时,二极管正向电流已经达到3OA,其导通电阻为2.6mt-I?cm.在600V时,反向漏电流密度小于0.1mA?cm.2和硅超快二极管的比较芯片封装后,测试了碳化硅肖特基二极管作为294固体电子学研究与进展3O卷v|(a)vl(b)图4室温下碳化硅SBD的正向(a)和反向(b)

11、,一曲线Fig.4SiCSBDforward(a)andreverse(b)I-Vcurveatroomtemperaturef'J1116一?./,f7CH2?t?:?-'=.',(a)IGBT续流二极管的动态特性.以下给出600V一30A的碳化硅二极管和国际整流器公司的硅超快二极管(产品代码:IRGP3OB6oKD)的比较.需要说明的是,因为电力电子器件工作时自发热较多,额定工作结温一般在125C,所以以下测试都是在结温125下进行的.2.1硅IGBT开通特性图5所示为和不同续流二极管搭配时,600VSiIGBT的开通特性比较,图5(a)为600Vsi超快二极管,图

12、5(b)为600VSiCSBD.从图中可以看出,SiCSBDSiIGBT混合模块比全硅模块有着更低的尖峰电流(Peakcurrent),电压在下降的过程中的振荡减小,电流的上升恢复的过程振荡干扰减小,同时减小了器件的开通损耗.表1是600V模块在Ic一35A的开通参数,可以看出使用SiCSBD续流二极管对IGBT的开通延迟时间和上升时间并没有影响,而在开通损耗和尖峰电流值方面混合模块降低了3O.CH】¨'/L,一!CH2,f.:.(b)图5使用不同续流二极管时,600VSiIGBT的开通特性比较:(a)Si超快二极管;(b)SiCSBD(测试条件:Vcc一400V;Ic=35

13、A;VGE一15V;Rg=27n;Rg=27Q;Ti一125CH1:Ic一15A/div;CH2:Vcc一100V/div;timebase=200ns/div)Fig.5ComparisonofSiIGBTturnoncharacteristicswithdifferentfreewheelingdiodes:(a)Siultrafastdiode;(b)SiCSBD(Testcondition:Vcc=400V;Ic一35A;VGE:15V;Rg=27Q;Rg=27Q;Ti=125CH1:Ic一15A/div;CH2:Vcc=100V/div;timebase=200ns/div)表1使用

14、不同续流二极管时,600VSiIGBT的开通特性比较Tab.1ComparisonofIGBTturnoncharacteristicsusingdifferentfreewheelingdiodes2期李字柱等:600V一30A4HSiC肖特基二极管作为IGBT续流二极管的研究2952.2二极管反向恢复特性图6是二极管的反向恢复特性波形,碳化硅SBD二极管没有少数载流子,因此反向恢复电流很小,软度大为提高.从波形和数据中(表2)可以看出碳化硅SBD二极管的峰值电流()比硅超快二极管减少了65%,反向恢复时间f减少了51,反向恢复电荷Q减少了9O.值得注意的是,由于碳化硅二极管的软度比硅二极管

15、高,所以电压尖峰从560V下降到440V,过电压从160V(40%过电压)下降为4OV(10%过电压),提高了模块的可靠性.表2硅和碳化硅二极管的反向恢复特性比较Tab.2ComparisonofreverserecoveryofSiandSiCdiodesCH:一CH1Jl,|JCH2CH1.A,(a)(b)图6二极管反向恢复过程:(a)Si超快二极管;(B)SiCSBD(测试条件:Vcc一400V;Ic一一35A;GE=15V;R一27n;T=125CCHI:Ic=i5A/div;CH2:Vcc=200V/div;timebase一100ns/div)Fig.6Diodereversere

16、covery:(a)Siultrafastdiode;(b)SiCSBD(Testcondition:Vcc一400V;Ic=一35A;VGE:15V;尺g一271"1;T】一125CH1:Ic一15A/div;CH2:Vcc一200V/div;timebase100ns/div)2.3模块动态总能耗,管作IGBT流二fi:图7所示是IGBT模块的动态能耗比较.由图可能耗基本不变,续流二极管反向恢复能耗减少了90%.暑三.吕卫图7IGBT模块的开关能耗比较(测试条件cc=400V;Ic=35A;Rg一27Q;Ti一125C)图7IGBTmoduleswitchinglosscompa

17、rison(measuredatVcc=400V;Ic一35A;Rg一27Q;Tj=125)3结论利用水平热壁式CVD系统,自主研发了76.2mm8m厚度的4HSiCn型外延层.设计并制造出了8.75mill.大小的4HSiC肖特基势垒二极管,正向压降为1.6V时,二极管正向电流已经达到30A,其导通电阻为2.6mr2?crn.在600V时,反向漏电流密度小于0.1mA?cm_.比较了国际整流器公司的硅超快二极管和碳化硅SBD在IGBT模块中作为续流二极管的特性.碳化硅二极管对IGBT模块的关断能耗没有大的影响,但是降低了约3O%的开O987654321O296固体电子学研究与进展3O卷通能耗

18、,同时降低了30的尖峰电流.碳化硅SBD二极管反向恢复能耗比硅超快二极管降低了90,而且碳化硅二极管的软度大为提高,因此过电压从4O降为1O%,提高了模块的可靠性.1i-23参考文献ZhaoJ,AlexandrovP,LiX.Demonstrationofthefirst10kV4HSiCSchottkybarrierdiodes口.IEEEElectronDeviceLett,2003,24:402404.李赘,李哲洋,董逊,等.生长源流量对SiC外延生长的影响J.半导体技术,2008,33卷(增刊):266268.Wu,FursinL,LiY,eta1.4308V,20.9mohmcm24

19、HSiCMPSdiodesbasedona30"mdriftLayerJMaterialsScienceForum,2004,457:l1091112.李字柱(LIYuzhu)男,汉族,1975年生,1999年9月毕业于北京清华大学电子系微电子专业,获学士学位,2008年1月毕业于美国Rutgers大学电子系微电子专业,获博士学位,读博士期间研究内容为碳化硅电力电子器件工艺开发.现在南京电子器件研究所单片集成电路和模块国家级重点实验室工作,主要从事碳化硅电力电子器件和工艺技术的研究.征稿启事固体电子学研究与进展是全国性学术期刊,向国内外公开发行.办刊宗旨是面向21世纪固体物理和微电子

20、学领域的创新性研究.征稿主要范围是:无机和有机固体物理,硅微电子学,射频器件和微波集成电路,微机电系统(MEMS),纳米技术,固体光电和电光转换器件,有机发光器件(OLED)和有机微电子技术,宽禁带半导体以及各种固体电子器件等方面的创新性科学技术报告和论文,来稿采用A4幅面,控制在6页以内.建议作者同时介绍一下论文的工作背景,原创性,先进性和指导意义,并给出作者的联系信息(邮寄地址,电话,Email).本刊已被中国新闻出版总署列人中国期刊方阵,且为中文核心期刊并进人多个国内外数据库,根据相关的国家标准与数据库的人编要求,作者投稿时请注意下列事项:(1)标题:中文标题控制在2O个汉字以内,英文标题最多为400个字符;(2)摘要:学术论文,研究报告的摘要应写明研究目的,方法,新的结果和结论.综述,评论性文章的摘要应简要说明论文内容的要点.摘要中不要使用多余的词语,尽量减少背景信息,工作意义,不希望出现公式,矩阵.英文摘要的长度不超