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第三代SiC蕭特基二極體:SCS3系列 Part 1

SiC蕭特基二極體持續進化中

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ROHM推出了SiC蕭特基二極體(以下稱為SiC SBD)的第三代產品“SCS3系列”。SCS3系列進一步改善了第二代SiC SBD實現的當時業界最小正向電壓,並大幅提高了抗突波電流性能的產品。我們就SCS3系列的特點、應用範圍展望等,採訪了負責研發的ROHM株式會社 功率元件製造部 千賀 景先生。

-今年春天ROHM宣佈推出SiC-SBD的第三代產品。後面我會問到第三代SiC-SBD的特點和相比上一代的優點,不過由於機會難得,能否請您首先介紹一下SiC-SBD的基礎內容?說實話,我認為非常瞭解使用了SiC(碳化矽)這種半導體的二極體和電晶體的特點的人並不多。

是啊!2010年ROHM確立SiC功率元件的一貫制生產體制,並開始SiC-SBD和SiC-MOSFET的量產。當時的情況是SiC-SBD屬於在日本國內首創、SiC-MOSFET屬於在全球首創。作為SiC功率元件,SiC SBD在市場上開始流通是在二十世紀初,而SiC MOSFET則僅有5年左右的歷史。

首先對SiC半導體材料的物理性質稍作說明。

SiC是在熱、化學、機械方面都非常穩定的化合物半導體,對於功率元件來說很重要的參數都非常優異。由於其絕緣擊穿場強比Si高約10倍,因此確保耐壓所需的膜的摻雜(donor)濃度可以很高,膜厚可以做到很薄,從而可實現單位面積的電阻非常低的高耐壓產品。其效果是可實現高耐壓且高速開關性能優異的多數載子元件(SBD、MOSFET等)。另外,與Si材料相比,還具有能帶隙約3倍,熱導率高約3倍的特點。

-SiC相對於Si, SiC是個可以高速開關的多數載子元件,同時對於高耐壓化也是非常有利的半導體材料.

的確如此。我想以二極體為例詳細進行說明。下圖是SiC-SBDSi-SBDSi-PND的示意圖,顯示了電流流動的機制。

20170725_graf-_01

SiC-SBD和Si-SBD都是蕭特基二極體,因此金屬與n型半導體間形成的蕭特基接合的結構基本相同,電流藉由多數載子的移動而產生電流的流動。之所以SiC-SBD的厚度看起來較薄,是因為如前所述,確保耐壓所需的膜厚較薄,因此可實現更低阻值。Si-PND由p型矽和n型矽的接合構造組成,多數載子和少數載子均有助於電流傳導。

SiC-SBD和Si-SBD都屬於藉由n型半導體中的多數載子(電子)作用而工作的多數載子,因此具有高速開關的特點。而且,SiC-SBD還實現了Si-SBD很難實現的高耐壓。Si-SBD在實際應用中耐壓極限大概為200V左右,而ROHM已經量產的SiC-SBD產品最高達1700V,並且還正在研發更高耐壓的產品。

Si-PND屬於少數載子,可同時實現遠超Si-SBD的高耐壓和低阻值,但其開關性能劣於多數載子。Si-PND中提高了開關速度的產品是FRD,然而開關時的恢復特性依然劣於SBD。

右圖表示Si-SBD、Si-PND/FRD和SiC-SBD的耐壓覆蓋範圍。SiC-SBD覆蓋了Si-PND/FRD的大部分耐壓範圍,因此將該耐壓範圍的Si-PND/FRD替換為SiC-SBD,可改善恢復特性,並可在應用上發揮其優勢。

20170725_graf_02

-SiC-SBD覆蓋了Si-SBD無法攀登的高耐壓範圍,那是與FRD一比高下的範圍,但其恢復特性遠遠優於FRD是嗎?

是的。下面是SiC-SBD和Si-FRD開關時的恢復特性比較。
以及兩者的溫度依賴性比較。

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首先,一目了然的是SiC-SBD的恢復特性顯著優異。另外,幾乎不受溫度的影響。前面針對結構簡單介紹過,Si-FRD通過少數載子作用來實現在低阻值下的ON工作。然而,在OFF時少數載子貢獻於恢復電流,成為應用上的開關損耗。SiC-SBD是多數載子,因而在原理上沒有這項恢復動作。僅會流過因為元件的接合電容帶來的恢復電流,幾乎不受溫度的影響。

可大幅降低恢復損耗,因此有助於提高裝置的效率。另外,恢復電流較小,這有利於降低雜訊,減少這些對策零件還可進一步縮減電路規模。

-還有其他需要瞭解的特性嗎?

正向電壓(VF特性也有與Si-FRD產品的不同之處。看下圖會比較容易理解。

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此有助於提高裝置的Si-SBD的VF溫度特性與包括Si-FRD在內的Si-PND不同。Si-FRD隨著溫度升高電阻下降,VF降低,而SiC-SBD隨著溫度升高VF也升高。

這個特性有利有弊,當並聯使用Si- FRD時,當一端的二極體產生電流偏差時可能會發生熱失控,而SiC-SBD的VF升高,可使電流平衡。因此SiC-SBD從可並聯連接二極體的角度看具有優勢。反之需要注意的是抗突波電流性能IFSM遜於Si- FRD這一點。

-能否請您對前面的說明做一個總結?

首先,SiC是非常適合功率元件的半導體材料,具有優異的特性。作為蕭特基二極體時,具有卓越的高速性能,可實現Si-SBD無法匹敵的高耐壓元件。從耐壓的角度可與Si-FRD一爭高下,但其恢復性能更具優勢。高速恢復特性有助於裝置的效率提升和應用電路的小型化。

-那麼有沒有什麼課題呢?

我認為課題是與Si-FRD相比抗突波電流性能較差。ROHM推出的第三代SiC-SBD就是解決該課題的行動之一。第三代產品不僅具備ROHM擅長的低VF特性,還提高了抗突波電流性能IFSM,並改善了漏電流IR特性,採用SiC功率元件的客戶有望進一步增加。

未完待續

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