电子迁移率
(cm2/V•s) 1350 8500 1000 400 1140
电子饱和漂移速度(107cm/s) 1 2 2 2.5 2.5
熔点(k) 1690 1510 >2100 >2100 >2100
由表2-1和击穿电压正比Eg的关系[12]可以得出,SiC材料的禁带宽度Eg远大于传统的Si和GaAs半导体材料,因此SiC器件抗雪崩击穿能力远大于Si器件。4H-SiC的临界击穿电场比Si的击穿电场高15倍,因而耐压比Si器件高出一个数量级。在相同击穿电压的情况下,SiC器件的漂移区更薄,导通电阻更低。4H-SiC材料的电子饱和漂移速度为2.5×107cm/s,比Si的电子饱和漂移速度高出一倍多。因此在相同条件下,4H-SiC器件的频率特性更好,更适用于开关电路的使用[13]。4H-SiC最高工作温度约为600℃,是Si的2~3倍,同时4H-SiC的热导率为4.9 W/k•cm,比Si高出3倍多,具有良好的散热能力。如果应用在航空航天、军事装备以及核工业等极端恶劣的环境下,SiC器件的特性要远优于Si器件[14]。
2.2. 功率DMOS器件
2.2.1. DMOS器件结构介绍
DMOS未加说明一般指的是VDMOS(Vertical Double-diffusion MOSFET,垂直导电功率MOS晶体管)。DMOS发展经历了三个阶段,根据其栅极结构的特点,分别是V型槽MOS (VMOS) [15],U型槽MOS (UMOS)[16]以及垂直导电双扩散MOS结构即VDMOS[17]。分别如图2.1、图2.2和图2.3所示。
图2.1 VMOS剖向结构图2.2 UMOS剖向结构
图2.3 VDMOS剖向结构
不同于早期的MOS场效应晶体管是平面水平沟道结构,DMOS具有沟道短、高电阻漏极漂移区和垂直导电结构等特点,从而大大提高了器件的耐压能力。
VMOS结构存在如下问题:(1)V形槽底部为尖峰,电场较大,使击穿电压受损;(2)电流集中在V形槽顶尖,限制了器件的额定电流;(3)很难精确控制腐蚀形成V形槽;(4)V形槽易于受离子沾污造成阈电压不稳定,成品率及可靠性下降;(5)源与栅的金属化需要为叉指形,不能最有效地利用表面面积等缺点。
为了避免V形槽的尖端电场,通过适当的控制腐蚀速度和时间,可以获得深度合适的平底U形槽。然而U形槽的腐蚀在工艺上难度更大,并同V形槽一样,UMOS结构中栅氧化层暴露在外,易受污染。为从根本上解决上述问题,既不需要腐蚀槽又不暴露栅氧化层的VDMOS结构应运而生,采用两次扩散形成的P-base区和N+源,利用两者的结深之差在器件表面处形成沟道。如图2.3所示,源极和漏极分别做在芯片的两侧,形成垂直导电通道,多个元胞并联还可以实现大功率。VDMOS的源区、P-base区和外延层组成了一个寄生的NPN双极晶体管,为了防止寄生晶体管导通产生“二次击穿”使器件失效,在器件结构上设计了P+区使P-base区与N+源区短接。VDMOS结构几乎克服了VMOS、UMOS的所有缺点。过去曾以为是缺点的导通电阻目前实验室已经可以做到毫欧姆量级,800V~1000V的器件也已进入了产品化阶段,其电流达到200A,平均失效率已达到0.001 %~0.005%的水平。
2.2.2. VDMOS结构特点
(1)高输入阻抗和低驱动功率
VDMOS的输入阻抗是纯电容性的,高达109~1011Ω,不需要直流电控制,只需要输入电容的充放电电流。一般来说,驱动电流在100nA量级,可控制几安~几十安的电流输出,直流电流增益达108~109,几乎不消耗功率。其栅极可直接与CMOS、TTL集成电路和其他高阻器件连接,中间不需任何推动级,使驱动电路的设计大大简化。由于输入阻抗高,也提高了它们的抗干扰能力。 1700VSiCDMOS器件的优化仿真设计(4):http://www.751com.cn/tongxin/lunwen_8073.html