SiC肖特基勢(shì)壘二極管更新?lián)Q代步履不停

ROHM推出了SiC肖特基勢(shì)壘二極管（以下SiCSBD）的第三代產(chǎn)品“SCS3系列”。SCS3系列是進(jìn)一步改善了第二代SiC SBD實(shí)現(xiàn)的當(dāng)時(shí)業(yè)界最小正向電壓，并大幅提高了抗浪涌電流性能的產(chǎn)品。我們就SCS3系列的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍展望等，采訪了負(fù)責(zé)開發(fā)的ROHM株式會(huì)社 功率元器件制造部 千賀 景先生。

－今年春天ROHM宣布推出SiC-SBD的第三代產(chǎn)品。后面我會(huì)問到第三代SiC-SBD的特點(diǎn)和相比上一代的優(yōu)點(diǎn)，不過由于機(jī)會(huì)難得，能否請(qǐng)您首先介紹一下SiC-SBD的基礎(chǔ)內(nèi)容？說實(shí)話，我認(rèn)為非常了解使用了SiC（碳化硅）這種半導(dǎo)體的二極管和晶體管的特點(diǎn)的人并不多。

是?。?010年ROHM確立SiC功率元器件的一貫制生產(chǎn)體制，并開始SiC-SBD和SiC-MOSFET的量產(chǎn)。當(dāng)時(shí)的情況是SiC-SBD屬于在日本國(guó)內(nèi)首創(chuàng)、SiC-MOSFET屬于在全球首創(chuàng)。作為SiC功率元器件，SiC SBD在市場(chǎng)上開始流通是在二十世紀(jì)初，而SiC MOSFET則僅有5年左右的歷史。

首先對(duì)SiC半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)稍作說明。

SiC是在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定的化合物半導(dǎo)體，對(duì)于功率元器件來說很重要的參數(shù)都非常優(yōu)異。由于其絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)比Si高約10倍，因此確保耐壓所需的膜的施主（donor）濃度高，膜厚可以做到很薄，從而可實(shí)現(xiàn)單位面積的電阻非常低的高耐壓產(chǎn)品。其效果是可實(shí)現(xiàn)高耐壓且高速開關(guān)性能優(yōu)異的多數(shù)載流子（SBD、MOSFET等）。另外，與Si材料相比，還具有帶隙寬約3倍，熱導(dǎo)率高約3倍的特點(diǎn)。

－也就是說，相比Si，SiC對(duì)于提高可高速開關(guān)的多數(shù)載流子耐壓性能來說是非常有利的半導(dǎo)體材料。

的確如此。我想以二極管為例詳細(xì)進(jìn)行說明。下圖是SiC-SBD、Si-SBD、Si-PND的示意圖，顯示了電流流動(dòng)的機(jī)理。

SiC-SBD和Si-SBD都是肖特基勢(shì)壘二極管，因此金屬與n型半導(dǎo)體間形成的肖特基勢(shì)壘接觸結(jié)構(gòu)基本相同，電流通過多數(shù)載流子的移動(dòng)而流動(dòng)。之所以SiC-SBD的厚度看起來較薄，是因?yàn)槿缜八?，確保耐壓所需的膜厚較薄，因此可實(shí)現(xiàn)更低阻值。Si-PND由p型硅和n型硅的結(jié)結(jié)構(gòu)組成，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子均有助于導(dǎo)電。

SiC-SBD和Si-SBD都屬于通過n型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子（電子）作用而工作的多數(shù)載流子，因此具有高速開關(guān)的特點(diǎn)。而且，SiC-SBD還實(shí)現(xiàn)了Si-SBD很難實(shí)現(xiàn)的高耐壓。Si-SBD在實(shí)際應(yīng)用中耐壓極限大概為200V左右，而ROHM已經(jīng)量產(chǎn)的SiC-SBD產(chǎn)品最高達(dá)1700V，并且還正在開發(fā)更高耐壓的產(chǎn)品。

Si-PND屬于少數(shù)載流子，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超Si-SBD的高耐壓和低阻值，但其開關(guān)性能劣于多數(shù)載流子。Si-PND中提高了開關(guān)速度的產(chǎn)品是FRD，然而開關(guān)時(shí)的恢復(fù)特性依然劣于SBD。

右圖表示Si-SBD、Si-PND/FRD和SiC-SBD的耐壓覆蓋范圍。SiC-SBD覆蓋了Si-PND/FRD的大部分耐壓范圍，因此將該耐壓范圍的Si-PND/FRD替換為SiC-SBD，可改善恢復(fù)特性，并可在應(yīng)用上發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

－SiC-SBD覆蓋了Si-SBD無法攀登的高耐壓范圍，那是與FRD一比高下的范圍，但其恢復(fù)特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于FRD是嗎？

是的。下面是SiC-SBD和Si-FRD開關(guān)時(shí)的恢復(fù)特性比較。
以及兩者的溫度依賴性比較。

首先，一目了然的是SiC-SBD的恢復(fù)特性顯著優(yōu)異。另外，幾乎沒有溫度依賴性。前面針對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單介紹過，Si-FRD通過少數(shù)載流子作用來實(shí)現(xiàn)在低阻值下的ON工作。然而，在OFF時(shí)少數(shù)載流子貢獻(xiàn)于恢復(fù)電流，成為應(yīng)用上的開關(guān)損耗。SiC-SBD是多數(shù)載流子，因而在原理上沒有這項(xiàng)恢復(fù)工作。僅流過元器件的結(jié)電容帶來的恢復(fù)電流，幾乎沒有溫度依賴性。

可大幅降低恢復(fù)損耗，因此有助于提高設(shè)備的效率。另外，恢復(fù)電流較小，這有利于降低噪聲，減少這些對(duì)策部件還可進(jìn)一步縮減電路規(guī)模。

－還有其他需要了解的特性嗎？

正向電壓（VF）特性也有與Si-FRD產(chǎn)品的不同之處?？聪聢D會(huì)比較容易理解。

此有助于提高設(shè)備的Si-SBD的VF溫度特性與包括Si-FRD在內(nèi)的Si-PND不同。Si-FRD隨著溫度升高電阻下降，VF降低，而SiC-SBD隨著溫度升高VF也升高。

這個(gè)特性有利有弊，當(dāng)并聯(lián)使用Si- FRD時(shí)，當(dāng)一端的二極管產(chǎn)生電流偏差時(shí)可能會(huì)發(fā)生熱失控，而SiC-SBD的VF升高，可使電流平衡。因此SiC-SBD從可并聯(lián)連接二極管的角度看具有優(yōu)勢(shì)。反之需要注意的是抗浪涌電流性能IFSM遜于Si- FRD這一點(diǎn)。

－能否請(qǐng)您對(duì)前面的說明做一個(gè)總結(jié)？

首先，SiC是非常適合功率元器件的半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的特性。作為肖特基勢(shì)壘二極管時(shí)，具有卓越的高速性能，可實(shí)現(xiàn)Si-SBD無法匹敵的高耐壓元器件。從耐壓的角度可與Si-FRD一爭(zhēng)高下，但其恢復(fù)性能更具優(yōu)勢(shì)。高速恢復(fù)特性有助于設(shè)備的效率提升和應(yīng)用電路的小型化。

－那么有沒有什么課題呢？

我認(rèn)為課題是與Si-FRD相比抗浪涌電流性能較差。ROHM推出的第三代SiC-SBD就是解決該課題的行動(dòng)之一。第三代產(chǎn)品不僅具備ROHM擅長(zhǎng)的低VF特性，還提高了抗浪涌電流性能IFSM，并改善了漏電流IR特性，采用SiC功率元器件的客戶有望進(jìn)一步增加。

（未完待續(xù)）

審核編輯黃宇