具有快速開關和低VCESAT的1200V碳化硅雙極性晶體管

由于能源成本上升和人們積極應對全球變暖，電力電子設備的能源效率已經變得越來越重要。為了提升電力電子設備的能源效率，具有較低功率損耗的功率半導體器件技術是關鍵所在。在半導體器件中，功率損耗的降低可以改善系統效率，并帶來直接的能源節省。降低的低功率損耗同樣是有益的，可以減小系統體積，并增加像在混合動力及電動汽車領域的市場滲透。

隨著開關電源和太陽能DC/AC轉換應用逆變器市場不斷增長，碳化硅(silicon carbide，SiC)功率二極管得到了廣泛應用。SiC二極管技術的主要優勢是快速開關且無反向恢復。當與超級結FET等快速開關器件一起使用時，SiC二極管能夠實現更高的開關頻率，減少無源元件并降低總體系統成本。SiC二極管技術已在現場應用中被證明是可靠的，采用工業晶圓，使得外延和半導體制造工藝用于SiC成為可能。后面重要的一步就是將向市場推出SiC功率開關管。

SiC功率開關管與SiC二極管一起使用，可以進一步減小開關功率損耗，相比Si超級結FET或IGBT，具有顯著降低的通態(on-state)功率損耗?；赟iC功率器件系統的一個優點就是，可以工作在更高的結溫，采用合適的封裝技術，器件的工作溫度甚至可以達到250℃。

在SiC功率開關管中，三種相互競爭的技術MOSFET、JFET和雙極性晶體管(bipolar junction transistor，BJT)均可提供樣品或完全上市的成品。飛兆半導體已經開發了額定電壓為1200 V的BJT器件，與硅功率雙極性晶體管截然不同。它具有很高(接近于100)的電流增益，且在大集電極電流下無衰減；開關速度象單極器件一樣快，并且非常穩健，沒有二次擊穿問題。

圖1顯示了飛兆半導體SiC BJT有源區的橫截面原理圖，該器件是一種垂直外延NPN晶體管，集電極在晶圓的背面。基極-發射極和基極-集電極結可通過干法刻蝕來形成，在有源區內有許多窄發射極梳狀條，由基極-集電極結環繞著。P型離子注入用于形成低電阻基極歐姆接觸和高壓阻擋結終端。蝕刻和曝光的表面被鈍化，在厚絕緣氧化層沉積后進行厚鋁墊(Al pad) 沉積，用于形成發射極和基極。在SiC BJT芯片的背面進行金屬化，可兼容標準的貼片技術，正面有厚Al層適合厚Al引線粘接。SiC BJT備有兩種封裝：標準TO-247和專用高溫金屬TO-258封裝。這些封裝提供兩種不同的芯片尺寸，分別用于15A和50A額定電流。

圖1 BJT有源區和結端橫截面原理圖

圖2顯示了采用TO-247封裝的1200V SiC BJT在室溫下的IC-VCE特性曲線。SiC BJT具有良好的傳輸特性，并具有確定的導通電阻，類似于功率MOSFET。圖3顯示了電流增益、VCESAT 和VBESAT與集電極電流的特性曲線。電流增益隨集電極電流而增加，并在15A的額定電流下，達到略高于100的穩定水平。在高集電極電流下，電流增益無衰減，因為SiC中的摻雜濃度高于Si功率BJT。因此，在額定電流下高量注入不會發生。


圖2 室溫下額定15 A的1200 V SiC BJT 的IC-VCE特征曲線

圖3顯示了VCESAT 隨集電極電流呈線性增加，且在額定電流IC=15A時，其值為0.75 V。對于具有4.68 mm2有源區(active area)的15A SiC BJT芯片，相應的特征導通電阻(specific on-resistance)僅為2.3 mΩcm2。就我們所掌握的知識，對于任何1200 V額定功率器件，這是最小的特征導通電阻。在VCEO=1200 V時的關斷狀態(open-base)下，15A SiC BJT的漏電流小于10μA，并且擊穿電壓的典型值是1500V。