【導(dǎo)讀】碳化硅（SiC）具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率等優(yōu)良的材料特性，在中高壓功率半導(dǎo)體器件制造中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，肖特基二極管、mosfet和jfet是市場(chǎng)上最流行的SiC功率器件。特別是sic schottky二極管已經(jīng)成功地應(yīng)用于電力領(lǐng)域近20年。最早的SiC肖特基二極管采用純肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）結(jié)構(gòu)。后來(lái)，這種結(jié)構(gòu)演變成一種結(jié)勢(shì)壘肖特基（JBS）具有低反向泄漏電流。最新的結(jié)構(gòu)被稱為合并PN肖特基（MPS），表現(xiàn)出大幅增加的浪涌電流處理能力。
WeEn Semiconductors于2014年發(fā)布了基于100毫米SiC晶片的650V SiC MPS二極管，并于2017年發(fā)布了基于150毫米高質(zhì)量SiC晶片的650V SiC MPS二極管。今年早些時(shí)候，基于成熟的150mm晶圓技術(shù)，WeEn推出了1200V SiC MPS二極管和AEC-Q101汽車認(rèn)證的650V SiC MPS二極管。
公司擁有50多年的歷史，在功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)過(guò)程包括根據(jù)客戶需求設(shè)定設(shè)計(jì)目標(biāo)、使用EDA工具進(jìn)行器件和工藝模擬、掩模設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)、制造、裝配和可靠性測(cè)試。經(jīng)過(guò)多輪的試驗(yàn)、優(yōu)化、壽命試驗(yàn)和應(yīng)用試驗(yàn)，獲得了合格的優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品。
為了追求最佳的器件性能，在全WeEn-SiC肖特基二極管中采用了一種合并PN肖特基（MPS）結(jié)構(gòu)。在高正向電流密度下，PN結(jié)將開(kāi)始在二極管漂移區(qū)注入少數(shù)載流子（電導(dǎo)調(diào)制），并接管肖特基結(jié)的電流傳導(dǎo)。因此，在高電流密度下，MPS比傳統(tǒng)JBS結(jié)構(gòu)具有更低的正向壓降。這使得MPS器件能夠承受更高的浪涌電流。但是，增大PN面積將導(dǎo)致肖特基面積減小。當(dāng)雙極結(jié)構(gòu)還不工作時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致標(biāo)稱正向電流下的“導(dǎo)通電阻”增加。因此，在標(biāo)稱正向傳導(dǎo)能力和浪涌電流處理能力之間存在權(quán)衡。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的P+島和獨(dú)特的歐姆接觸工藝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)有效肖特基面積沒(méi)有顯著影響的有效浪涌電流傳導(dǎo)路徑。這使得WeEn-SiC-MPS二極管能夠在不損失標(biāo)稱電流傳導(dǎo)能力的情況下具有優(yōu)異的浪涌電流處理能力。
圖1:WeEn-SiC MPS二極管的截面示意圖和電流分布
一種適于制造功率器件的SiC晶片由兩層組成：一層是厚的襯底層，另一層是生長(zhǎng)在上面的薄外延層。厚實(shí)的基底使大型碳化硅晶圓具有在半導(dǎo)體加工、搬運(yùn)和運(yùn)輸過(guò)程中所需的機(jī)械穩(wěn)定性。然而，基底的電功能是最小的。二極管阻斷高反向電壓的功能被外延層覆蓋，只有在正向工作時(shí)，襯底才起到電流傳導(dǎo)路徑的作用。不幸的是，電流傳導(dǎo)路徑起著串聯(lián)電阻的作用。市面上可買到的SiC襯底沒(méi)有高摻雜濃度，因此串聯(lián)電阻非常明顯，特別是對(duì)于650V SiC器件。這會(huì)導(dǎo)致意外的功率損失。降低串聯(lián)電阻和功率損耗的一種方法是在半導(dǎo)體加工完成后使襯底層變薄，即所謂的襯底后研磨。
圖2:WeEn NXPSC04650 4A，650V MPS二極管與其他公司JBS二極管在25℃時(shí)正向I-V特性的比較
碳化硅是一種非常堅(jiān)硬的材料，它對(duì)磨削等機(jī)械處理提出了幾個(gè)挑戰(zhàn)：防止裂紋、表面粗糙度和厚度均勻性。然而，領(lǐng)先的制造工藝和卓越的質(zhì)量控制使WeEn能夠提供比市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品厚度僅1/3的SiC產(chǎn)品。這種很薄的芯片使SiC二極管具有更好的電流傳導(dǎo)能力和較低的熱阻。
嚴(yán)格的生產(chǎn)管理和質(zhì)量控制是保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定的重要因素。為了向客戶提供最可靠的碳化硅二極管產(chǎn)品，我們建立了全面的質(zhì)量和可靠性控制系統(tǒng)和程序。所有SiC產(chǎn)品必須經(jīng)過(guò)100%靜態(tài)參數(shù)測(cè)試、100%浪涌電流處理測(cè)試（IFSM）和100%雪崩能力測(cè)試（UIS）。產(chǎn)品符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)或更嚴(yán)格的可靠性測(cè)試要求；例如，將HTRB測(cè)試時(shí)間從1000小時(shí)延長(zhǎng)到3000小時(shí)。
由于其優(yōu)良的材料特性，SiC肖特基二極管的性能比硅PN結(jié)二極管好得多。再加上先進(jìn)的芯片設(shè)計(jì)能力和成熟的制造工藝，WeEn現(xiàn)在制造出了優(yōu)質(zhì)的SiC肖特基二極管。
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