用于脈沖功率領(lǐng)域的碳化硅四層器件性能概述

梁　琳，潘　銘，舒玉雄，張魯?shù)?/p>

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢430074)

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用于脈沖功率領(lǐng)域的碳化硅四層器件性能概述

梁琳，潘銘，舒玉雄，張魯?shù)?/p>

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢430074)

摘要：綜合論述了基于碳化硅(SiC)材料制備的四層器件在脈沖功率領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀或前景。調(diào)研了SiC超級門極可關(guān)斷晶閘管 (super gate turn-off thyristor, SGTO)的研究進(jìn)展，總結(jié)了近年來獲得的實驗結(jié)果。實驗研究了SiC發(fā)射極可關(guān)斷晶閘管 (emitter turn-off thyristor, ETO)的開通過程。結(jié)果表明，開通dI/dt可以在一定條件下受控，以適應(yīng)脈沖功率或電力電子變換的不同需求，實驗獲得最大功率密度為329 kW·cm-2。建立了SiC反向開關(guān)晶體管 (reversely switched dynistor, RSD)二維數(shù)值模型，論證了開通原理的可行性，熱電耦合模型以SiC本征溫度為依據(jù)據(jù)，SiC RSD的功率密度達(dá)MW·cm-2量級。

關(guān)鍵詞：SiC SGTO；SiC ETO；SiC RSD；碳化硅；脈沖功率

具有pnpn四層類晶閘管結(jié)構(gòu)的器件，由于漂移層的電導(dǎo)調(diào)制作用，可以在大電流和高電壓下工作，適合脈沖功率應(yīng)用。這類純雙極型器件具有高抗浪涌能力，相比單極型的功率MOSFET、混合型的絕緣柵雙極晶體管 (insulatedgatebipolartransistor,IGBT)等功率器件具有更低的損耗和更堅固的性能。帶驅(qū)動門極的三端器件(如脈沖晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管 (gateturn-offthyristor,GTO))和專為脈沖功率應(yīng)用設(shè)計的特種兩端器件(如反向開關(guān)晶體管 (reverselyswitcheddynistor,RSD))都屬于pnpn四層類晶閘管結(jié)構(gòu)的器件。

碳化硅(SiC)材料具有高擊穿電場(更薄外延層下更高的阻斷電壓)、短少數(shù)載流子壽命(更快速的關(guān)斷)、高熱導(dǎo)率、高楊氏模量等特性，適合于脈沖功率應(yīng)用[1]。近年來，上述四層結(jié)構(gòu)的功率器件出現(xiàn)了從Si向SiC過渡的趨勢。SiC基器件相對于Si基器件的主要優(yōu)勢在于緊湊、高電流密度、快速開關(guān)和高溫工作。用SiC材料制備雙極型器件，主要需解決兩大問題：1)減少襯底和外延層中存在的基平面位錯(basalplanedislocations,BPD)。漂移層堆垛層錯導(dǎo)致復(fù)合，BPD缺陷使正向壓降漂移、漏電流增加、正向電流減小，降低了器件可靠性。2)提高載流子壽命。對高壓晶閘管類器件而言，SiC厚外延層平均載流子壽命需要達(dá)到約5μs，且晶圓分布不均勻度控制在5%以內(nèi)[2]。目前，這兩個問題已經(jīng)得到很大程度的改善，從而具備了在實驗室完成這類SiC四層器件制備的可能。

本文綜合論述了SiC超級門極可關(guān)斷晶閘管 (supergateturn-offthyristor,SGTO)、SiC發(fā)射極可關(guān)斷晶閘管 (emitterturn-offthyristor,ETO)和SiCRSD3種典型的四層類晶閘管結(jié)構(gòu)功率器件在脈沖功率領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀或前景。

1SiCSGTO

迄今為止，在脈沖功率領(lǐng)域，應(yīng)用最廣的SiC四層pnpn類晶閘管結(jié)構(gòu)功率半導(dǎo)體器件是SiC超級門極可關(guān)斷晶閘管(supergateturn-offthyristor,SGTO)，其中，“超級(super)”的含義包括3個方面：1) 帶多區(qū)域高壓結(jié)終端的薄芯片；2) 特殊設(shè)計的門極和陰極接觸；3) 高度叉指的是門極-發(fā)射極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為器件提供了很高的dI/dt極限。

美國軍事研究實驗室(U.S.ArmyResearchLaboratory，ARL)是SGTO的主要承研單位。以往ARL采用SiSGTO器件研究快速上升的窄脈沖電流，應(yīng)用在電磁防御系統(tǒng)領(lǐng)域；近年來，采用SiSGTO器件，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向高I2t的寬脈沖電流，應(yīng)用在電磁炮上。ARL將SiSGTO作為近期開關(guān)解決方案，而把SiCSGTO作為未來替代品研發(fā)，并認(rèn)為SiC是未來很長一段時間可用于車載電磁炮系統(tǒng)唯一的功率開關(guān)材料[3]。在1ms脈寬下，SiCSGTO器件與同等級Si器件相比，電流密度是Si器件的1.5倍，而I2t是Si器件的2.5倍[1]。

圖1為封裝后的1.0cm2的SiCSGTO外觀圖。芯片面積為10mm×10mm，包括715μm結(jié)終端區(qū)域，中心源區(qū)為0.73cm2。門極、陽極和陰極歐姆接觸用鎳形成，頂層金屬采用Ti/Ni/Au多層金屬，背面通過金銀膠粘在銅基板上，陽極互聯(lián)采用36根10mil(1mil=0.025 4mm)鋁線鍵合。塑料框架與基板結(jié)合在一起，其中填充硅膠環(huán)氧，避免器件邊沿閃絡(luò)[4]。

圖1封裝后的1.0 cm2 SiC SGTO Fig.1Packaged 1.0 cm2 SiC SGTO

ARL對SiCSGTO器件進(jìn)行了長期研究，主要方式是聯(lián)合器件設(shè)計和制造公司(Cree、前APEI、SiliconPower等公司)研制生產(chǎn)實際器件，然后進(jìn)行大量脈沖開通測試。表1列出了2009-2014年積累的測試數(shù)據(jù)，表中，獲得的最高電流密度為12.8kA·cm-2(脈寬為17μs)，最高I2t達(dá)到1.3×104A2·s(芯片面積為2.4cm2)。另外，根據(jù)2014年的測評結(jié)論，認(rèn)為1.0cm2、9kV的芯片能夠穩(wěn)定工作在2.0kA(脈寬為100μs)而不退化。

表1　2009-2014年SiC SGTO的脈沖放電測試數(shù)據(jù)

※51 000shots

2SiCETO

ETO器件最早由美國北卡州立大學(xué)Huang教授提出[8]，與IGCT(integratedgatecommutatedthyristor)類似，是一種實現(xiàn)GTO關(guān)斷增益為1的器件。區(qū)別在于，ETO使用了兩個開關(guān)來實現(xiàn)高關(guān)斷電流換流，而IGCT使用一個電壓源和一個門極開關(guān)。關(guān)斷期間，ETO的發(fā)射極開關(guān)關(guān)斷，而門極開關(guān)導(dǎo)通，相當(dāng)于發(fā)射極開關(guān)擊穿的電壓加在門極回路雜散電感上，所以可以實現(xiàn)很高效的換流。

圖2(a)和圖2(b)為22kVSiCGTO的單胞結(jié)構(gòu)和封裝好的器件實物照片，這是一個穿通型(PT)p-GTO，芯片面積2cm2，由Cree公司制造。

(a)Schematic cross-section of a unitcell of the 22 kV 4H-SiC GTO thyristor

(b)Packaged GTO

圖3為集成低壓MOSFET后構(gòu)成的SiCp-ETO。其中，p-ETO的發(fā)射極與PMOS相連，門極與NMOS相連。開通過程：門極觸發(fā)電壓由正向負(fù)跳變，PMOS得到負(fù)柵壓導(dǎo)通，p-ETO通過門極電阻獲得觸發(fā)電流也導(dǎo)通，NMOS截止。關(guān)斷過程：門極觸發(fā)電壓由負(fù)向正跳變，PMOS關(guān)斷，其上電壓逐漸增加，當(dāng)NOMS的柵源電壓達(dá)到閾值電壓時NMOS導(dǎo)通，這使得ETO實現(xiàn)從陽極到門極的換流，p-ETO的開通模式由pnpn轉(zhuǎn)為npn，退飽和直至關(guān)斷。

圖3集成低壓MOSFET和高壓SiC GTO的三端SiC p-ETOFig.3Three terminal SiC p-ETO formed by the integration of low voltage MOSFETs and HV SiC GTO

SiCp-ETO在開通過程中電壓的跌落速度即dV/dt，是其開通速度的直接反映。高dV/dt意味著器件的高dI/dt耐量。開通過程中得到的dV/dt值與器件自身參數(shù)和外電路條件均有關(guān)，其中，影響器件參數(shù)的主要因素包括陽極p+發(fā)射區(qū)的有效雜質(zhì)濃度、漂移區(qū)載流子壽命等，外電路條件主要是放電電壓幅值等。通過TCAD軟件,建立了SiCETO的數(shù)值模型。當(dāng)模擬開通dV/dt值相差很大時，陰極與陽極間電壓VKA的變化如圖4所示。

圖4差別很大的dV/dt仿真結(jié)果 Fig.4Simulated results for dV/dt with big difference

當(dāng)直流母線電壓分別為3,4,5,6kV時，獲得了SiCp-ETO的實驗電壓波形，如圖5所示，開通dV/dt有明顯差別，反映了SiCETO不同的開通模式。這說明在合理的設(shè)計下，SiCETO開通時的dI/dt可能是受控的，即：1)可能快速擎住，獲得高dV/dt，得到的dI/dt由外電路決定，滿足脈沖功率領(lǐng)域的需求；2)以晶體管的方式開通，電壓跌落緩慢，dI/dt由ETO器件控制，這可以讓其在沒有dI/dt吸收電路的變換器中工作。

圖5不同直流母線電壓下SiC p-ETO的實驗電壓波形Fig.5Experimental voltage waveforms on SiC p-ETO with different DC bus voltage

SiCETO在5kV，20A負(fù)載電流下開通，未加任何dI/dt緩沖器，當(dāng)門極電流為0.2A時，陰極與陽極間電壓VKA、電流IKA的變化曲線，如圖6所示。對于Si晶閘管，這是不允許的，因為不限制dI/dt會導(dǎo)致熱點(diǎn)和器件的損壞。SiCp-ETO以1kA·μs-1的dI/dt成功開通，是由器件內(nèi)部物理機(jī)制而非外電路電感所控制，進(jìn)一步論證了前文的觀點(diǎn)，即在一定條件下，ETO的開通過程更像一個晶體管而非深度擎住的晶閘管，dI/dt由內(nèi)部NPN管控制。如圖7所示，在無緩沖器開通軌跡中，開通峰值最大功率密度達(dá)到329kW·cm-2，這是由SiC材料能耐受的高結(jié)溫決定的。SiC器件的失效溫度遠(yuǎn)高于Si，更適合應(yīng)用于惡劣的脈沖情況下。

圖65 kV/20 A無緩沖器開通，開通dI/dt 1 kA·μs-1或dJ/dt 1.52 kA·cm-2·μs-1Fig.6Snubberless turn-on at 5 kV/20 A showing a turn-on dI/dt of 1 kA·μs-1 or dJ/dt 1.52 kA·cm-2·μs-1

圖7無緩沖器開通軌跡，開通峰值功率密度329 kW·cm-2Fig.7Snubberless turn-on trajectory showing a peak turn-on power density of 329 kW·cm-2

3SiCRSD

RSD器件最早由蘇聯(lián)約飛物理研究院Grekhov教授提出[9]，基于可控等離子層換流原理開通，是專門為脈沖功率應(yīng)用設(shè)計的特種器件。主要優(yōu)點(diǎn)是損耗低、通流能力強(qiáng)、dI/dt耐量高、串聯(lián)均壓特性好、二端器件堆體易于實現(xiàn)同步觸發(fā)等[10-11]。為了提高RSD器件能達(dá)到的功率極限，首次提出用SiC制作RSD[12]。SiCRSD可望獲得更高的單片阻斷電壓、更高的電流密度和更好的重復(fù)頻率特性。根據(jù)RSD工作原理和能獲得的4H-SiC襯底材料與制作工藝，設(shè)計了如圖8所示的SiCRSD結(jié)構(gòu)。與SiRSD從N型襯底出發(fā)伴隨多次硼磷擴(kuò)散的工藝不同，SiCRSD從N+襯底出發(fā)，隨后經(jīng)過多次外延、刻蝕及注入形成。由于目前SiC材料還只能獲得高摻雜的N型襯底，前文所述SiCSGTO、ETO等通常都制成P型，即P基區(qū)作為漂移區(qū)，門極和陽極電極在器件同一側(cè)?？梢宰C明，為了保證集電結(jié)附近的可控等離子層能有效形成，SiCRSD只能選N基區(qū)作為漂移區(qū)。

圖8SiC RSD二維模型元胞結(jié)構(gòu)Fig.8Cell structure of 2D models for SiC RSD

根據(jù)4H-SiC的典型物理參數(shù)，在考慮載流子遷移率模型、俄歇復(fù)合、SRH復(fù)合、碰撞電離效應(yīng)和禁帶變窄效應(yīng)等的基礎(chǔ)上，建立了SiCRSD的二維數(shù)值模型，基于此模型仿真了阻斷特性和開通特性。1.2kV級器件的摻雜剖面設(shè)計，如圖9所示。圖9同時表示了正向阻斷模式下的電場分布，N基區(qū)空間電荷區(qū)擴(kuò)展剛好到達(dá)陽極側(cè)P+N結(jié)邊界。正向阻斷電壓VFB的仿真結(jié)果，如圖10所示，其中，N基區(qū)最大載流子壽命τN,max設(shè)為2μs。預(yù)充和導(dǎo)通過程中RSD上的電流密度和電壓波形，如圖11所示。在脈沖電流上升的前沿存在一殘余電壓，其在大量等離子體注入基區(qū)后消失。這是判斷RSD是否正常開通的重要參數(shù)。為了討論SiCRSD能夠達(dá)到的功率極限，同時建立了熱電耦合模型，初步的結(jié)果如圖12所示。如果認(rèn)為SiC器件的本征溫度為1 800K[13]，SiCRSD能達(dá)到超過10MW·cm-2的峰值功率。

圖91.2 kV SiC RSD摻雜剖面及正向阻斷模式下電場分布Fig.9Doping profile for 1.2 kV SiC RSD and electric field distribution on forward blocking mode

圖101.2 kV SiC RSD正向阻斷特性Fig.10Forward blocking characteristics for 1.2 kV SiC RSD

圖11SiC RSD開通電流密度和電壓仿真波形Fig.11 Simulated turn-on current density and voltage waveforms of SiC RSD

圖12SiC RSD單脈沖開通仿真，本征溫度下峰值功率密度超過10 MW·cm-2Fig.12Simulated single pulse turn-on of the SiC RSD. Peak temperature is reached at power density above 10 MW·cm-2

需要指出的是，SiCRSD作為雙極型器件，其開通電壓優(yōu)勢要在高電壓等級器件中才能呈現(xiàn)。這是因為SiC大的禁帶寬度導(dǎo)致低的本征載流子濃度，所以SiCPN結(jié)的內(nèi)建電勢高于Si。低壓器件中結(jié)壓降占正向壓降主要部分，高壓器件體壓降占正向壓降主要部分，所以只有高壓下SiC由于高絕緣擊穿場強(qiáng)而實現(xiàn)的薄片使體壓降更小，才能得到更低的總開通電壓。圖13仿真了相近阻斷電壓等級的SiRSD和SiCRSD的開通過程，最大開通電壓的交點(diǎn)出現(xiàn)在約6kV，即電壓在6kV以上采用SiC材料制作RSD有利于降低損耗。而由于外延片價格昂貴，實驗初期的原理驗證樣品我們選擇了低壓等級。圖14為部分樣片的阻斷電壓測試結(jié)果，這里器件終端選擇了臺面結(jié)構(gòu)，采用機(jī)械切割形成斜角的方式。由于機(jī)械的方法會造成表面損傷，后期需要進(jìn)行刻蝕處理，圖14(a)和(b)分別表示刻蝕前后的測試結(jié)果，說明刻蝕工藝對提高耐壓和減小漏電流有作用。

(a)Turn-on voltage waveforms

(b)Maximum turn-on voltage

(a)Before etching

(b)After etching

4結(jié)論

本文綜合論述了SiCSGTO、SiCETO、SiCRSD3種典型的四層結(jié)構(gòu)功率器件在脈沖功率領(lǐng)域的應(yīng)用。其中，美國ARL實驗室對SiCSGTO已進(jìn)行了十幾年的研究，隨著近年來SiC襯底和外延材料工藝水平的提高，實驗中已獲得的電流密度最高為12.8kA·cm-2(脈寬為17μs)；SiCETO在最近的開通實驗中反映出開通dI/dt可控的特性，實驗獲得最大功率密度為329kW·cm-2；在SiCRSD方面，通過建立熱電耦合的二維仿真模型，根據(jù)SiC材料本征溫度顯示其最高功率密度可能達(dá)到MW·cm-2量級。

致謝

本論文中有關(guān)SiCETO開通特性的研究結(jié)果系作者在美國北卡州立大學(xué)AlexQ.Huang教授課題組訪問期間完成，感謝課題組相關(guān)成員的合作與討論。

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收稿日期：2015-11-18；修回日期：2016-03-30 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51377069)；中國工程物理研究院脈沖功率科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實驗室基金項目(PPLF2013PZ02);中國國家留學(xué)資金委資助項目(201308420123)

作者簡介：梁琳(1981- )，女，湖北武漢人，副教授，博士，主要從事電力電子器件及封裝、脈沖功率及其應(yīng)用、寬禁帶功率半導(dǎo)體研究。 E-mail:lianglin@mail.hust.edu.cn

中圖分類號：TN313

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-6223(2016)020404(7)

FourLayerSiCDevicesAppliedinPulsedPowerArea

LIANGLin,PANMing,SHUYu-xiong,ZHANGLu-dan

(SchoolofOpticalandElectronicInformation,HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan430074,China)

Abstract:The high voltage and high current characteristics for the power devices with the four layer thyristor type structure make them favorable in the high power pulse application. It is reviewed in this paper that the present or future application situation for the four layer devices based on the silicon carbide material in the pulsed power area. The research progress for the SiC SGTO(super gate turn-off thyristor) is surveyed and the experimental results acquired in recent years are summarized. The turn-on process for the SiC ETO(emitter turn-off thyristor) is studied by experiment, which shows that the turn-on dI/dt could be controlled under certain condition, so as to satisfy the different requirement for pulse power or power electronic conversion. The maximum power density obtained in the experiment is 329 kW·cm-2. The two-dimensional numerical model for the SiC RSD(reversely switched dynistor) is established and the turn-on principle is verified. Taking the intrinsic temperature of SiC as basis, the thermal-electric coupling model shows that its peak power density could reach the order of MW·cm-2.

Key words:SiC SGTO；SiC ETO；SiC RSD；SiC；pulsed power