具有快速开关和低VCESAT的1200V碳化硅双极性晶体管

由于能源成本上升和人们积极应对全球变暖，电力电子设备的能源效率已经变得越来越重要。为了提升电力电子设备的能源效率，具有较低功率损耗的功率半导体器件技术是关键所在。在半导体器件中，功率损耗的降低可以改善系统效率，并带来直接的能源节省。降低的低功率损耗同样是有益的，可以减小系统体积，并增加像在混合动力及电动汽车领域的市场渗透。

随着开关电源和太阳能DC/AC转换应用逆变器市场不断增长，碳化硅(silicon carbide，SiC)功率二极管得到了广泛应用。SiC二极管技术的主要优势是快速开关且无反向恢复。当与超级结FET等快速开关器件一起使用时，SiC二极管能够实现更高的开关频率，减少无源元件并降低总体系统成本。SiC二极管技术已在现场应用中被证明是可靠的，采用工业晶圆，使得外延和半导体制造工艺用于SiC成为可能。后面重要的一步就是将向市场推出SiC功率开关管。

SiC功率开关管与SiC二极管一起使用，可以进一步减小开关功率损耗，相比Si超级结FET或IGBT，具有显著降低的通态(on-state)功率损耗。基于SiC功率器件系统的一个优点就是，可以工作在更高的结温，采用合适的封装技术，器件的工作温度甚至可以达到250℃。

在SiC功率开关管中，三种相互竞争的技术MOSFET、JFET和双极性晶体管(bipolar junction transistor，BJT)均可提供样品或完全上市的成品。飞兆半导体已经开发了额定电压为1200 V的BJT器件，与硅功率双极性晶体管截然不同。它具有很高(接近于100)的电流增益，且在大集电极电流下无衰减；开关速度象单极器件一样快，并且非常稳健，没有二次击穿问题。

图1显示了飞兆半导体SiC BJT有源区的横截面原理图，该器件是一种垂直外延NPN晶体管，集电极在晶圆的背面。基极-发射极和基极-集电极结可通过干法刻蚀来形成，在有源区内有许多窄发射极梳状条，由基极-集电极结环绕着。P型离子注入用于形成低电阻基极欧姆接触和高压阻挡结终端。蚀刻和曝光的表面被钝化，在厚绝缘氧化层沉积后进行厚铝垫(Al pad) 沉积，用于形成发射极和基极。在SiC BJT芯片的背面进行金属化，可兼容标准的贴片技术，正面有厚Al层适合厚Al引线粘接。SiC BJT备有两种封装：标准TO-247和专用高温金属TO-258封装。这些封装提供两种不同的芯片尺寸，分别用于15A和50A额定电流。

图1 BJT有源区和结端横截面原理图

图2显示了采用TO-247封装的1200VSiC BJT在室温下的IC-VCE特性曲线。SiC BJT具有良好的传输特性，并具有确定的导通电阻，类似于功率MOSFET。图3显示了电流增益、VCESAT和VBESAT与集电极电流的特性曲线。电流增益随集电极电流而增加，并在15A的额定电流下，达到略高于100的稳定水平。在高集电极电流下，电流增益无衰减，因为SiC中的掺杂浓度高于Si功率BJT。因此，在额定电流下高量注入不会发生。


图2 室温下额定15 A的1200 V SiC BJT 的IC-VCE特征曲线

图3显示了VCESAT随集电极电流呈线性增加，且在额定电流IC=15A时，其值为0.75 V。对于具有4.68 mm2有源区(active area)的15A SiC BJT芯片，相应的特征导通电阻(specific on-resistance)仅为2.3 mΩcm2。就我们所掌握的知识，对于任何1200 V额定功率器件，这是最小的特征导通电阻。在VCEO=1200 V时的关断状态(open-base)下，15A SiC BJT的漏电流小于10μA，并且击穿电压的典型值是1500V。