用于脉冲功率领域的碳化硅四层器件性能概述

梁　琳，潘　铭，舒玉雄，张鲁丹

(华中科技大学光学与电子信息学院，武汉430074)



用于脉冲功率领域的碳化硅四层器件性能概述

梁琳，潘铭，舒玉雄，张鲁丹

(华中科技大学光学与电子信息学院，武汉430074)

摘要：综合论述了基于碳化硅(SiC)材料制备的四层器件在脉冲功率领域的应用现状或前景。调研了SiC超级门极可关断晶闸管 (super gate turn-off thyristor, SGTO)的研究进展，总结了近年来获得的实验结果。实验研究了SiC发射极可关断晶闸管 (emitter turn-off thyristor, ETO)的开通过程。结果表明，开通dI/dt可以在一定条件下受控，以适应脉冲功率或电力电子变换的不同需求，实验获得最大功率密度为329 kW·cm-2。建立了SiC反向开关晶体管 (reversely switched dynistor, RSD)二维数值模型，论证了开通原理的可行性，热电耦合模型以SiC本征温度为依据据，SiC RSD的功率密度达MW·cm-2量级。

关键词：SiC SGTO；SiC ETO；SiC RSD；碳化硅；脉冲功率

具有pnpn四层类晶闸管结构的器件，由于漂移层的电导调制作用，可以在大电流和高电压下工作，适合脉冲功率应用。这类纯双极型器件具有高抗浪涌能力，相比单极型的功率MOSFET、混合型的绝缘栅双极晶体管 (insulatedgatebipolartransistor,IGBT)等功率器件具有更低的损耗和更坚固的性能。带驱动门极的三端器件(如脉冲晶闸管、门极可关断晶闸管 (gateturn-offthyristor,GTO))和专为脉冲功率应用设计的特种两端器件(如反向开关晶体管 (reverselyswitcheddynistor,RSD))都属于pnpn四层类晶闸管结构的器件。

碳化硅(SiC)材料具有高击穿电场(更薄外延层下更高的阻断电压)、短少数载流子寿命(更快速的关断)、高热导率、高杨氏模量等特性，适合于脉冲功率应用[1]。近年来，上述四层结构的功率器件出现了从Si向SiC过渡的趋势。SiC基器件相对于Si基器件的主要优势在于紧凑、高电流密度、快速开关和高温工作。用SiC材料制备双极型器件，主要需解决两大问题：1)减少衬底和外延层中存在的基平面位错(basalplanedislocations,BPD)。漂移层堆垛层错导致复合，BPD缺陷使正向压降漂移、漏电流增加、正向电流减小，降低了器件可靠性。2)提高载流子寿命。对高压晶闸管类器件而言，SiC厚外延层平均载流子寿命需要达到约5μs，且晶圆分布不均匀度控制在5%以内[2]。目前，这两个问题已经得到很大程度的改善，从而具备了在实验室完成这类SiC四层器件制备的可能。

本文综合论述了SiC超级门极可关断晶闸管 (supergateturn-offthyristor,SGTO)、SiC发射极可关断晶闸管 (emitterturn-offthyristor,ETO)和SiCRSD3种典型的四层类晶闸管结构功率器件在脉冲功率领域的应用现状或前景。

1SiCSGTO

迄今为止，在脉冲功率领域，应用最广的SiC四层pnpn类晶闸管结构功率半导体器件是SiC超级门极可关断晶闸管(supergateturn-offthyristor,SGTO)，其中，“超级(super)”的含义包括3个方面：1) 带多区域高压结终端的薄芯片；2) 特殊设计的门极和阴极接触；3) 高度叉指的是门极-发射极结构，该结构为器件提供了很高的dI/dt极限。

美国军事研究实验室(U.S.ArmyResearchLaboratory，ARL)是SGTO的主要承研单位。以往ARL采用SiSGTO器件研究快速上升的窄脉冲电流，应用在电磁防御系统领域；近年来，采用SiSGTO器件，研究重点转向高I2t的宽脉冲电流，应用在电磁炮上。ARL将SiSGTO作为近期开关解决方案，而把SiCSGTO作为未来替代品研发，并认为SiC是未来很长一段时间可用于车载电磁炮系统唯一的功率开关材料[3]。在1ms脉宽下，SiCSGTO器件与同等级Si器件相比，电流密度是Si器件的1.5倍，而I2t是Si器件的2.5倍[1]。

图1为封装后的1.0cm2的SiCSGTO外观图。芯片面积为10mm×10mm，包括715μm结终端区域，中心源区为0.73cm2。门极、阳极和阴极欧姆接触用镍形成，顶层金属采用Ti/Ni/Au多层金属，背面通过金银胶粘在铜基板上，阳极互联采用36根10mil(1mil=0.025 4mm)铝线键合。塑料框架与基板结合在一起，其中填充硅胶环氧，避免器件边沿闪络[4]。

图1封装后的1.0 cm2 SiC SGTO Fig.1Packaged 1.0 cm2 SiC SGTO

ARL对SiCSGTO器件进行了长期研究，主要方式是联合器件设计和制造公司(Cree、前APEI、SiliconPower等公司)研制生产实际器件，然后进行大量脉冲开通测试。表1列出了2009-2014年积累的测试数据，表中，获得的最高电流密度为12.8kA·cm-2(脉宽为17μs)，最高I2t达到1.3×104A2·s(芯片面积为2.4cm2)。另外，根据2014年的测评结论，认为1.0cm2、9kV的芯片能够稳定工作在2.0kA(脉宽为100μs)而不退化。

表1　2009-2014年SiC SGTO的脉冲放电测试数据

※51 000shots

2SiCETO

ETO器件最早由美国北卡州立大学Huang教授提出[8]，与IGCT(integratedgatecommutatedthyristor)类似，是一种实现GTO关断增益为1的器件。区别在于，ETO使用了两个开关来实现高关断电流换流，而IGCT使用一个电压源和一个门极开关。关断期间，ETO的发射极开关关断，而门极开关导通，相当于发射极开关击穿的电压加在门极回路杂散电感上，所以可以实现很高效的换流。

图2(a)和图2(b)为22kVSiCGTO的单胞结构和封装好的器件实物照片，这是一个穿通型(PT)p-GTO，芯片面积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

图3为集成低压MOSFET后构成的SiCp-ETO。其中，p-ETO的发射极与PMOS相连，门极与NMOS相连。开通过程：门极触发电压由正向负跳变，PMOS得到负栅压导通，p-ETO通过门极电阻获得触发电流也导通，NMOS截止。关断过程：门极触发电压由负向正跳变，PMOS关断，其上电压逐渐增加，当NOMS的栅源电压达到阈值电压时NMOS导通，这使得ETO实现从阳极到门极的换流，p-ETO的开通模式由pnpn转为npn，退饱和直至关断。

图3集成低压MOSFET和高压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在开通过程中电压的跌落速度即dV/dt，是其开通速度的直接反映。高dV/dt意味着器件的高dI/dt耐量。开通过程中得到的dV/dt值与器件自身参数和外电路条件均有关，其中，影响器件参数的主要因素包括阳极p+发射区的有效杂质浓度、漂移区载流子寿命等，外电路条件主要是放电电压幅值等。通过TCAD软件,建立了SiCETO的数值模型。当模拟开通dV/dt值相差很大时，阴极与阳极间电压VKA的变化如图4所示。

图4差别很大的dV/dt仿真结果 Fig.4Simulated results for dV/dt with big difference

当直流母线电压分别为3,4,5,6kV时，获得了SiCp-ETO的实验电压波形，如图5所示，开通dV/dt有明显差别，反映了SiCETO不同的开通模式。这说明在合理的设计下，SiCETO开通时的dI/dt可能是受控的，即：1)可能快速擎住，获得高dV/dt，得到的dI/dt由外电路决定，满足脉冲功率领域的需求；2)以晶体管的方式开通，电压跌落缓慢，dI/dt由ETO器件控制，这可以让其在没有dI/dt吸收电路的变换器中工作。

图5不同直流母线电压下SiC p-ETO的实验电压波形Fig.5Experimental voltage waveforms on SiC p-ETO with different DC bus voltage

SiCETO在5kV，20A负载电流下开通，未加任何dI/dt缓冲器，当门极电流为0.2A时，阴极与阳极间电压VKA、电流IKA的变化曲线，如图6所示。对于Si晶闸管，这是不允许的，因为不限制dI/dt会导致热点和器件的损坏。SiCp-ETO以1kA·μs-1的dI/dt成功开通，是由器件内部物理机制而非外电路电感所控制，进一步论证了前文的观点，即在一定条件下，ETO的开通过程更像一个晶体管而非深度擎住的晶闸管，dI/dt由内部NPN管控制。如图7所示，在无缓冲器开通轨迹中，开通峰值最大功率密度达到329kW·cm-2，这是由SiC材料能耐受的高结温决定的。SiC器件的失效温度远高于Si，更适合应用于恶劣的脉冲情况下。

图65 kV/20 A无缓冲器开通，开通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

图7无缓冲器开通轨迹，开通峰值功率密度329 kW·cm-2Fig.7Snubberless turn-on trajectory showing a peak turn-on power density of 329 kW·cm-2

3SiCRSD

RSD器件最早由苏联约飞物理研究院Grekhov教授提出[9]，基于可控等离子层换流原理开通，是专门为脉冲功率应用设计的特种器件。主要优点是损耗低、通流能力强、dI/dt耐量高、串联均压特性好、二端器件堆体易于实现同步触发等[10-11]。为了提高RSD器件能达到的功率极限，首次提出用SiC制作RSD[12]。SiCRSD可望获得更高的单片阻断电压、更高的电流密度和更好的重复频率特性。根据RSD工作原理和能获得的4H-SiC衬底材料与制作工艺，设计了如图8所示的SiCRSD结构。与SiRSD从N型衬底出发伴随多次硼磷扩散的工艺不同，SiCRSD从N+衬底出发，随后经过多次外延、刻蚀及注入形成。由于目前SiC材料还只能获得高掺杂的N型衬底，前文所述SiCSGTO、ETO等通常都制成P型，即P基区作为漂移区，门极和阳极电极在器件同一侧。可以证明，为了保证集电结附近的可控等离子层能有效形成，SiCRSD只能选N基区作为漂移区。

图8SiC RSD二维模型元胞结构Fig.8Cell structure of 2D models for SiC RSD

根据4H-SiC的典型物理参数，在考虑载流子迁移率模型、俄歇复合、SRH复合、碰撞电离效应和禁带变窄效应等的基础上，建立了SiCRSD的二维数值模型，基于此模型仿真了阻断特性和开通特性。1.2kV级器件的掺杂剖面设计，如图9所示。图9同时表示了正向阻断模式下的电场分布，N基区空间电荷区扩展刚好到达阳极侧P+N结边界。正向阻断电压VFB的仿真结果，如图10所示，其中，N基区最大载流子寿命τN,max设为2μs。预充和导通过程中RSD上的电流密度和电压波形，如图11所示。在脉冲电流上升的前沿存在一残余电压，其在大量等离子体注入基区后消失。这是判断RSD是否正常开通的重要参数。为了讨论SiCRSD能够达到的功率极限，同时建立了热电耦合模型，初步的结果如图12所示。如果认为SiC器件的本征温度为1 800K[13]，SiCRSD能达到超过10MW·cm-2的峰值功率。

图91.2 kV SiC RSD掺杂剖面及正向阻断模式下电场分布Fig.9Doping profile for 1.2 kV SiC RSD and electric field distribution on forward blocking mode

图101.2 kV SiC RSD正向阻断特性Fig.10Forward blocking characteristics for 1.2 kV SiC RSD

图11SiC RSD开通电流密度和电压仿真波形Fig.11 Simulated turn-on current density and voltage waveforms of SiC RSD

图12SiC RSD单脉冲开通仿真，本征温度下峰值功率密度超过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作为双极型器件，其开通电压优势要在高电压等级器件中才能呈现。这是因为SiC大的禁带宽度导致低的本征载流子浓度，所以SiCPN结的内建电势高于Si。低压器件中结压降占正向压降主要部分，高压器件体压降占正向压降主要部分，所以只有高压下SiC由于高绝缘击穿场强而实现的薄片使体压降更小，才能得到更低的总开通电压。图13仿真了相近阻断电压等级的SiRSD和SiCRSD的开通过程，最大开通电压的交点出现在约6kV，即电压在6kV以上采用SiC材料制作RSD有利于降低损耗。而由于外延片价格昂贵，实验初期的原理验证样品我们选择了低压等级。图14为部分样片的阻断电压测试结果，这里器件终端选择了台面结构，采用机械切割形成斜角的方式。由于机械的方法会造成表面损伤，后期需要进行刻蚀处理，图14(a)和(b)分别表示刻蚀前后的测试结果，说明刻蚀工艺对提高耐压和减小漏电流有作用。

(a)Turn-on voltage waveforms

(b)Maximum turn-on voltage

(a)Before etching

(b)After etching

4结论

本文综合论述了SiCSGTO、SiCETO、SiCRSD3种典型的四层结构功率器件在脉冲功率领域的应用。其中，美国ARL实验室对SiCSGTO已进行了十几年的研究，随着近年来SiC衬底和外延材料工艺水平的提高，实验中已获得的电流密度最高为12.8kA·cm-2(脉宽为17μs)；SiCETO在最近的开通实验中反映出开通dI/dt可控的特性，实验获得最大功率密度为329kW·cm-2；在SiCRSD方面，通过建立热电耦合的二维仿真模型，根据SiC材料本征温度显示其最高功率密度可能达到MW·cm-2量级。

致谢

本论文中有关SiCETO开通特性的研究结果系作者在美国北卡州立大学AlexQ.Huang教授课题组访问期间完成，感谢课题组相关成员的合作与讨论。

参考文献

[1]O'BRIENH,OGUNNIYIA,OVREBOGK,etal.DevelopmentandpulseevaluationofsiliconcarbideSGTOmodules[C]//IEEEInternectionalPowerModulectorandHighVoltageConference,Atlanta, 2010: 178-181.

[2]OGUNNIYIA,O’BRIENH,LELISA,etal.ThebenefitsandcurrentprogressofSiCSGTOsforpulsepowerapplications[C]//ISDRS’ 09,2009: 1-2.

[3]O'BRIENH,SHAHEENW,CHISCOPV,etal.EvaluationofSiandSiCSGTOsforhigh-actionarmyapplications[J].IEEETranMagn, 2009, 45(1): 402-406.

[4]O'BRIENH,OGUNNIYIA,ZHANGQJ,etal.Pulseperformanceandreliabilityanalysisofa1.0cm24H-SiCGTO[C]//MRSProc, 2010, 1246: 187-192.

[5]OGUNNIYIA,O'BRIENH,SCOZZIECJ.NarrowandwidepulseevaluationofsiliconcarbideSGTOmodules[C]//IEEEPulsedPowerConference,Chicago,2011: 786-790.

[6]O'BRIENH,OGUNNIYIA,SCOZZIECJ,etal.Novelpackagingandhigh-currentpulse-switchingof1.0cm2SiCSGTOs[C]//ProcofLEC,Singnpore, 2012,1-4.

[7]LAWSONK,BAYNESB,LACOUTURES,etal.Safeoperatingareaandlong-termreliabilityof9kVsiliconcarbidePNPNsupergateturn-offthyristors[J].IEEEElectronDeviceLett, 2014, 35(8): 862-864.

[8]HUANGAQ,ZHOUX,CHENB.Physics-basedmodelforemitterturn-offthyristor(ETO)[C]//IEEEPowerElectronicsSpecialistsConference,Orlando, 2007: 1 930-1 934.

[9]GORBATYUKAV,GREKHOVIV,NALIUKINAV.Theoryofquasi-diodeoperationofreverselyswitcheddynistors[J].Solid-StateElectron, 1988, 31(10): 1 483-1 491.

[10]梁琳, 余亮, 吴拥军, 等. 反向开关晶体管结构优化与特性测试[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(4): 876-880. (LIANGLin,YULiang,WUYong-jun,etal.Structureoptimizationandperformancetestforpulsedpowerswitchreverselyswitcheddynistor[J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2012, 24(4): 876-880.)

[11]王海洋, 何小平, 周竞之, 等. 高功率反向开关晶体管开关寿命特性[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(5): 1 191-1 194. (WANGHai-yang,HEXiao-ping,ZHOUJing-zhi,etal.Lifetimeofhighpowerreverselyswitcheddynistorswitches[J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2012, 24(5): 1 191-1 194.)

[12]LIANGL,HUANGAQ,LIUC,etal.SiCreverselyswitcheddynistor(RSD)forpulsepowerapplication[C]//ProcofISPSD, 2015: 293-296.

[13]GAOY,HUANGAQ,AGARWALAK,etal.Theoreticalandexperimentalanalysesofsafeoperatingarea(SOA)of1200V4H-SiCBJT[J].IEEETransElectronDevices, 2008, 55(8): 1 887-1 893.

收稿日期：2015-11-18；修回日期：2016-03-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51377069)；中国工程物理研究院脉冲功率科学与技术重点实验室基金项目(PPLF2013PZ02);中国国家留学资金委资助项目(201308420123)

作者简介：梁琳(1981- )，女，湖北武汉人，副教授，博士，主要从事电力电子器件及封装、脉冲功率及其应用、宽禁带功率半导体研究。 E-mail:lianglin@mail.hust.edu.cn

中图分类号：TN313

文献标志码：A

文章编号：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