碳化硅二极管器件在电子领域中有何优势.docx

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1、碳化硅二极管器件在电子领域中有何优势目录1 .碳化硅二极管12 .碳化硅二极管的优点13 .KeePTOPS碳化硅二极管产品特点24 .应用领域和优势34.1.太阳能逆变器34.2.新能源汽车充电器34.3.开关电源的优点34.4.产业优势3?碳化硅器件制造工艺流程31 .碳化硅二极管碳化硅材料的半导体，虽然随着技术的发展，目前碳化硅的成本已经下降了不少，但按市场性价比来看，同类型的硅材料与碳化硅半导体器件的价格相差十倍以上。碳化硅单晶可用于制造晶体管(二极管和晶体管)。由于碳化硅具有较大的禁带宽度，制成的器件可以承受高压和高温，是制作大功率器件的良好材料。缺点是其单晶的制造比较困难，器件工艺

2、也不成熟，而且在器件中的欧姆接触难以做好(因为是宽禁带半导体,重掺杂难以起作用)在半导体器件的应用方面，随着碳化硅生产成本的降低，碳化硅由于其优良的性能而可能取代硅作芯片，打破硅芯片由于材料本身性能的瓶颈，将给电子业带来革命性的变革。2 .碳化硅二极管的优点(1)碳化硅二极管的优点如下：碳化硅JFET具有输入阻抗高、噪声低、线性度好等特点。是目前发展最快的碳化硅器件之一，也是第一个实现商业化的器件。与MOSFET器件相比，JFET器件不存在栅氧化层缺陷和载流子迁移率低的局限性所带来的可靠性问题。同时，单极工作特性使其保持良好的高频工作能力。止匕外，JFET器件具有更好的高温工作稳定性和可靠性。

3、(2)碳化硅JFET器件的栅极结结构使得通常JFET的阈值电压大多为负，即常开型器件，这对电力电子应用极为不利，也无法与目前常见的驱动电路兼容。美国SemiSoUth公司和罗格斯大学已经开发出增强型器件，通过引入沟槽注入或台面沟槽结构CnVJFET)器件工艺，可以正常关闭。然而，增强模式的设备往往形成在一定的正向导通电阻特性的牺牲。因此，通常上型(耗尽模式)JFET更容易获得更高的功率密度和电流能力，而耗尽型JFET器件则可以作为级联方式来实现正常的离线工作状态。级联的方法是通过串联一个低压硅基MOSFET实现的。级联JFET器件的驱动电路与一般的硅基器件驱动电路自然兼容。级联结构非常适合在高

4、压大功率应用中取代原有的硅IGBT器件，直接避免了驱动电路的兼容性问题。(3)目前，碳化硅JFET器件已经实现了一定程度的产业化，主要是英飞凌和SiCED推出的产品。产品电压等级为1200V1700V,单管电流等级可达20A,模块电流等级可达IOOA以上。2011年，美国田纳西大学报道了一种50kW的碳化硅模块，该模块采用1200V25ASiCJFET并联，反并联二极管为SiCSBD。2011年，环球电力电子公司利用SiCJFET开发了高温条件下的SiC三相逆变器。该模块的峰值功率为50kW(该模块在中等负载水平的效率为98.5%10kHzJ0kW,与硅模块相比效率更高。2013年，罗克韦尔采

5、用600V/5AMOS增强型JFET和碳化硅二极管并联，生产出三相电极驱动模块，电流等级为25A,并将其与当今更先进的IGBT和Pin二极管模块进行了比较：在相同的功率水平(25A/600V)下，面积减小到60%。该模块旨在降低通态损耗和开关损耗以及电源回路中的过压和过流。碳化硅(SiC)是目前最成熟的宽带隙半导体材料。世界各国都非常重视SiC的研究，投入了大量的人力、物力进行积极的开发。美国、欧洲、日本等不仅在国家层面制定了相应的法规。研究规划，而一些国际电子巨头也投入巨资开发碳化硅半导体器件。3. KeepTops碳化硅二极管产品特点基于日益严格的行业标准和市场对高能效产品的需求，Keep

6、Tops半导体推出新型600V1700V碳化硅二极管,帮助制造商满足这些不断提高的能效要求,并提供更好的可靠性、耐用性和成本效率。KeepTops半导体设计和制造的碳化硅二极管型号恢复时间短，温度对开关行为的影响较小，标准工作温度范围为一55至175摄氏度，大大减少了对散热片的需求。硅器件相比，碳化硅二极管的主要优势在于其超快的开关速度和无反向恢复电流，从而显著降低了开关损耗，实现了优异的能效。更快的开关速度还允许制造商减小产品电磁线圈和相关无源元件的尺寸，从而提高装配效率,减轻系统重量，降低物料清单(BoM)成本。4.应用领域和优势4.1. 太阳能逆变器硅基二极管是太阳能发电用二极管的基础材

7、料，其技术指标优于普通双极二极管(Si1iConbiPoIar)工艺。碳化硅二极管在开和关状态之间切换非常快，而且没有与普通双极二极管技术切换相关的反向恢复电流。消除反向恢复电流效应后，碳化硅二极管的能耗降低了70%,在很宽的温度范围内保持了高能效，并提高了设计人员优化系统工作频率的灵活性。碳化硅二极管提高了太阳能逆变器的效率。效率。4. 2.新能源汽车充电器碳化硅二极管通过汽车级产品测试，极性连接击穿电压提高到650V,可以满足设计师和汽车制造商希望降低电压补偿系数的要求，以保证车载充电半导体元器件的标称电压和瞬时峰值电压。它们之间有足够的安全裕度。双管二极管产品可以最大限度地提高空间利用率

8、，减轻车载充电器的重量。4. 3.开关电源的优点碳化硅的使用允许极快的开关，高频操作，零恢复和温度独立的行为，加上我们的低电感反相封装，这些二极管可用于任何快速开关二极管电路或高频转换器的应用数量。4. 4.产业优势碳化硅二极管：主要用于重型电机和工业设备中的高频电源转换器，它可以带来高效率，大功率，和高频率的优点。?.碳化硅器件制造工艺流程碳化硅器件制造环节与硅基器件的制造工艺流程大体类似，主要包括光刻、清洗、掺杂、蚀刻、成膜、减薄等工艺。碳化硅材料的特殊性质决定其器件制造中某些工艺需要依靠特定设备进行特殊开发，以促使碳化硅器件耐高压、大电流功能的实现。碳化硅特色工艺模块主要涵盖注入掺杂、栅

9、结构成型、形貌刻蚀、金属化、减薄工艺。I、注入掺杂：由于碳化硅中碳硅键能高，杂质原子在碳化硅中难以扩散，制备碳化硅器件时PN结的掺杂只能依靠高温下离子注入的方式实现。注入掺杂通常为硼、磷等杂质离子，掺杂注入深度通常为0.1m3m0高能量的离子注入会破坏碳化硅材料本身的晶格结构，需要采用高温退火修复离子注入带来的晶格损伤，同时控制退火对表面粗糙度的影响。核心工艺为高温离子注入和高温退火。2、栅结构成型：SiCSi2界面质量对MOSFET沟道迁移和栅极可靠性影响很大，需要开发特定的栅氧及氧化后退火工艺，以特殊原子（例如氮原子）补偿SiCSi2界面处的悬挂键,满足高质量SiCSi2界面以及器件高迁移

10、的性能需求。核心工艺为栅氧高温氧化、1PCVD、PECVDo3、形貌刻蚀：碳化硅材料在化学溶剂中呈现惰性，精确的形貌控制只有通过干法刻蚀方法实现；掩膜材料、掩膜蚀刻的选择、混合气体、侧壁的控制、蚀刻速率、侧壁粗糙度等都需要根据碳化硅材料特性开发。核心工艺为薄膜沉积、光刻、介质膜腐蚀、干法刻蚀工艺。4、金属化：器件的源电极需要金属与碳化硅形成良好的低电阻欧姆接触。这不仅需要调控金属淀积工艺，控制金属-半导体接触的界面状态，还需采用高温退火的方式降低肖特基势垒高度，实现金属-碳化硅欧姆接触。核心工艺是金属磁控溅射、电子束蒸发、快速热退火。5、减薄工艺：碳化硅材料具有高硬度、高脆性和低断裂韧性的特点，其研磨加工过程中易引起材料的脆性断裂，对晶圆表面与亚表面造成损伤，需要新开发研磨工艺来满足碳化硅器件制造需求。核心工艺是磨片减薄、贴膜揭膜等。#半导体#文章版权硅片“智慧半导体”图1碳化硅器件