專業知識整理分享專業知識整理分享碳化硅功率器件張玉明張義門西安電子科技大學微電子所（西安710071）1引言［1,2,3］：目前幾乎所以的功率系統中都采用硅器件,毫無疑問成熟的硅工藝技術是硅器件的最大的優勢。然而硅器件的功率性能將不會有太大的提高，這是因為硅器件的電特性已接近材料物理特性的極限。首先，硅低的擊穿電場意味著在高壓工作時需要采用厚的輕摻雜層，這將引起較大的串聯電阻，特別時對單極器件尤其如此。為了減少正向壓降，電流密度必須保持在很低的值，因此硅器件的大電流是通過增加硅片面積來實現的。在一定的阻斷電壓下，正向壓降由于載流子在輕摻雜區的存儲而降低，這種效應稱為結高注入的串聯電阻調制效應。然而存儲電荷的存儲和復合需要時間，從而降低了器件的開關速度，增加了瞬態功率損耗。硅器件由于小的禁帶寬度而使在較低的溫度下就有較高的本征載流子濃度，高的漏電流會造成熱擊穿，這限制了器件在高溫環境和大功率耗散條件下工作。其它限制是硅的熱導率較低。寬禁帶半導體材料，由于有比硅更好的性能，而成為下一代功率器件的候選者，如碳化硅、氮化鎵和金剛石等，它們可能在溫度和阻斷電壓兩方面都突破硅材料性能的限制。一般來說，高的電壓能力是由于材料的擊穿電場隨著禁帶寬度變大而增加，而高溫能力是由于隨著禁帶的增加材料的本征載流子濃度減少而得到。理論上的材料的性能可以由材料的優值準確的估算。這些優值都說明寬禁帶材料的性能比常規的硅器件提高幾個數量級。對功率器件而言寬禁帶半導體的優點首先是它具有高的擊穿電場，所以對相同阻斷電壓，相對于硅器件需要薄的摻雜濃度高的漂移層，這使大的正向電流成為可能。寬禁帶使在很高的溫度時本征載流子濃度都可以忽略。另外寬禁帶半導體通常都有高的載流子飽和速度和大的熱導率，適合高頻和大功率應用。如碳化硅材料，它至少可以將功率能力提供十倍。限制這些材料發展的主要問題是沒有理想的單晶材料（除了砷化鎵和幾種碳化硅），且工藝制作十分困難。實際上，目前僅有碳化硅功率器件最有可能的進入商業化。本文將從材料特性，器件工藝和特性，以及國內發展情況幾個方面介紹碳化硅功率器件的現狀。2碳化硅材料的性能優勢［2,3,4］已知有170多種同體異型的碳化硅，但僅有4H和6H兩種碳化硅材料的商用化單晶。4HSiC因為有比6HSiC更高和各相同相的遷移率，所以在許多電性能應用中具有優勢。表1是幾種半導體的性能比較。表中同時給出了判斷材料參數對器件性能的影響的7中優值FOM（Figuresofmerit）°JFOM和KFOM基本的比較值，因為飽和電子漂移速度在功率器件中的作用并不顯著。另外5個則對功率器件性能的估計更加確切，其中QFOM1是最實際的估計了電導損耗，而預計高頻率性能則使用BHFOM較為合適。表中列出了部分半導體材料性能和以硅的值為標準的參數優值的相對值由表中可以看出金剛石、GaN、SiC都有較高的優值，因此它們材料的性能決定了它們能制作高溫高壓大功率器件。另外，表中還可以看到4H-SiC的各種優值都比其它類型的SiC大，所以它的優勢更加明顯。在這些材料中，SiC是最有希望首先取得突破的。因為相對金剛石等材料,SiC的材料和工藝成熟的多，而其器件的性能比Si、GaAs好多個數量級。SiC高的擊穿電場使其漂移區的電阻減少200倍，從而使高壓FET的導通電壓比目前所有的硅功率器件（IGBT、EST、BRT/MCT）都小得多。這些理論預測以被近年來制作一系列高頻大功率SiC器件所證實。表1部分半導體材料性能及其歸一化優值WORD格式可編輯WORD格式可編輯料材SiGeGaAsInPGaPGaN金剛石3C6H4H11.1612.812.491.10.671.421.33.033.2623146720100405060150.540.670.81.5253551503900890052003503801700100040060001.02.674.016.6790.026.641.750.071.00.490.621.7740.283.135.845.841.00.7813.06.331.8862.034.714.318.0431.00.2910.513.871.2711.261259.3118.74.1160.0551.00.065.4512.911.4359.92323340257633548694.71.00.007.2725.823.43399.2343455905291.00.13專業知15.1i識整理;28.90十享2.7659.9219400128810062608.4WORD格式可編輯WORD格式可編輯專業知識整理分享專業知識整理分享對功率器件碳化硅材料最重要的特性是它是間接帶隙半導體，如果材料比較純的話，則具有較長的復合壽命（1us）。這種特性允許制作高壓PN結構二極管和PNPN閘流管，直接帶隙半導體如GaN是不能制作這些器件的。4H-SiC由于禁帶寬，在摻雜濃度為1016cm-3時本征溫度高達1650°C。寬禁帶的另外一個優點是在500°C以下都可以忽略反向漏電流。從而使碳化硅器件可以在高溫下工作而保持較小的反向漏電流，減少了冷卻設備。高的擊穿電場使相同的擊穿電壓下碳化硅的漂移區的厚度比硅減少了10倍。減少了少子的存儲和在給定的頻率下開關損耗。在可以接受的功率損耗下開關頻率可以增大到50到100KHz，這可以在變換器系統中明顯的減少磁元件的尺寸和重量。最后，封裝中的熱阻抗由于碳化硅大的熱導率而減少，有利于散熱。希望通過使用碳化硅器件使功率系統的尺寸和重量大大減少。目前低電阻率（n型和p型）和半絕緣型的直徑為50mm的4H和6H碳化硅片已商用化（研究級為75mm）。采用（hotwallchemicalvapourdeposition（CVD））方法同質外延摻雜為1014cm-3厚度為100um的外延層的工藝已經成熟，為制造阻斷電壓為10KV的器件打下良好的基礎。襯底和外延層中目前的微管缺陷是碳化硅的一個主要問題。通過結的一個微管缺陷就會毀壞器件的電壓阻斷能力，因此，對于大面積器件只有在零缺陷的材料才能制成具有可接受的成品率器件。目前微管缺陷是阻礙商業化的主要障礙。然而，目前的最新報道是微管缺陷低于0.3/cm2（幾年前是1000/cm2）說明目前的碳化硅可以制造幾平方微米的器件。另外一個問題是碳化硅片外延層的摻雜濃度和厚度的均勻性（典型值是厚度4%std.Dev.摻雜8%std.Dev.）以及各批摻雜濃度的穩定性（典型值40%）3碳化硅器件的發展現狀[1,5,6]碳化硅具有相當成熟的加工工藝技術。所有的基本工藝步驟，如摻雜（粒子注入和外延摻雜），刻蝕（等離子體技術），氧化，肖特基和歐姆接觸等都有許多的報道。目前存在的主要問題^iC-SiO2界面質量很差，這造成低的溝道遷移率和低的跨，實際器件的結果顯示6H-SiC的性能比4H—SiC好，人們正在尋找4H—SiCMOSFET沒有發揮它潛在優勢的原因。另一個問題是粒子注入后的退火，人們已經采用各種方法減少粒子注入退火造成的損傷，這種損傷可能使采用粒子注入方法制造的功率器件中溝道遷移率降低幾個數量級。除了MOSFETs夕卜，我們還關心PN結和肖特基結的終端技術和鈍化方法，以及接觸和鈍化的高溫穩定性等。碳化硅器件要成為商品，還要在這些方面做工作。

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鼻曲。。CreeB.JT2(10111￡1Ml岫鵬較二叫口￡H期！據口--KBPC'Of爵r哈干-PjN『口海莒壬PSDP2「Xm?(ioi--盧LTdUS3白口1-99?EfiJT■!3IN?IL-EH■圖上GBDitf1031041爐BlockingVoltag?(V)圖3碳化硅功率器件導通電流和阻斷電壓的關系已有很多碳化硅器件的實驗結果報道，而且許多研究組正在努力研究，實際上，NorthropGrumman早在1996年就制造了采用碳化硅功率器件的商用系統一UHFRF功率放大器。在功率開關器件方面，碳化硅肖特基最成熟，它由于有很好的反相恢復特性而有可能在中等電壓（1KV-3KV）代替硅PiN二極管，而且可以和目前的硅IGBTs聯合應用。圖1是碳化硅功率MOSFET阻斷電壓的進展情況，圖中僅包括了在當時最高阻斷電壓的器件，圖中的直線表示阻斷電壓以每年75%的速度增。圖2是碳化硅功率MOSFET導通電阻阻斷電壓的關系。圖中左邊和右邊的直線分別表示硅和碳化硅的理論極限，中間的虛線表示目前碳化硅功率MOSFET的性能。圖3是碳化硅功率器件導通電流和阻斷電壓的關系。圖中給出了碳化硅器件目前的最好性能。碳化硅功率器件由于具有理想的特性，將使功率轉換器的性能得到很大的提高，和硅功率器件相比它的優點如下：（1）碳化硅單載流子器件漂移區薄，開態電阻小。在低擊穿電壓下（50V）這些器件的開態電阻只為1.12〃。，僅為相同的硅器件的1%。在高擊穿電壓（?5000V），開態電阻增加為29?5mQ，比硅器件小300倍。由于有小的導通電阻，碳化硅功率器件的正向損耗小，功率轉換器件的效率就會提高。（2）碳化硅功率器件由于具有高的擊穿電場而具有高的擊穿電壓。例如，商用的硅肖特基的電壓小于300V，而第一個商用的碳化硅肖特基二極管的擊穿電壓已達到600V。（3）碳化硅有高的熱導率，因此碳化硅功率器件有低的結到環境的熱阻,這樣器件的溫度增加很慢。（4）碳化硅器件可工作在高溫，碳化硅器件已有工作在600°C的報道，而硅器件的最大工作溫度僅為150°C.（5）碳化硅具有很高的抗輻照能力。（6）碳化硅功

率器件的正反向特性隨溫度和時間的變化很小，可靠性好。（7）碳化硅雙極器件具有很好的反向恢復特性，反向恢復電流小，開關損耗小，對緩沖器的依賴小。（8）由于低的開關損耗，碳化硅功率器件可工作在高頻（＞20KHz）.雖然碳化硅功率器件有很多優點，目前還有一些困難限制它的發展，主要問題有：由于有微管缺陷使工藝成品率低。最好的材料為微管缺陷＜1/cm2,但它比典型的＜10/項2貴的多；價格貴，600V,4A的碳化硅肖特基二極管約需$50,（相同的硅＜$1）；商用化的很少，僅有相對電壓的肖特基二極管商用化；所需的高溫封裝技術還不成熟。從商業化的角度來看，雖然碳化硅的市場是明顯的存在的，但其商業率將受到材料技術，特別是成本的限制。目前碳化硅襯墊的成本是硅的100倍。雖然制作等同的性能的器件所需要的碳化硅材料比硅材料要少（約10倍），但這不足于彌補材料本身的費用。另外，相對于市場上的硅功率器件，碳化硅器件的制作工藝費用也高。只有當碳化硅材料和器件的制作費用減少10倍以后，碳化硅器件才能和硅器件相比較。一旦這些條件得到滿足，碳化硅器件就可能在中等電壓（1KV＜Vbr＜3KV）得到大規模應用，特別是肖特基二極管和SiIGBT的結合應用。對一些硅器件不能應用的特性領域，如高溫，抗輻照等，費用的限制比較少。然而，用相對小的初始市場來維持高的成本將限制碳化硅的發展。國內碳化硅的進展[7-16]國內對碳化硅研究還處于起步階段。近幾年中科院半導體所、西安理工大學、中科院上海冶金所、中國科技大學等兄弟單位學在材料和器件方面都開展了一些基礎工作。從1994年開始西安電子科技大學在這方面取得了可喜成果：理論成果：對SiC材料器件中載流子輸運特性的研究。（1）系統研究了SiC材料的物理參數的表征，物理參數與溫度的關系。這些參數如：SiC的能帶參數，本征載流子濃度，載流子濃度，載流子有效質量，載流子遷移率，載流子漂移速度，熱導率等。得到一些對器件制造有重意義的結論，提出了SiC材料的載流子'凍析'效應的多級離化模型,并研究了該效應對器件性能的影響；這方面的研究工作，為后續的研究提供了良好的基礎。（2）SiC材料的霍爾測量和分析，測量溫度從77K到800K，參數包括：自由載流子濃度，電阻率和電子遷移率。這也是國內首次對半導體材料進行的大溫度范圍的霍爾測量。在此之前碳化硅的霍爾系數和溫度的關系還未見報道。該研究對于進一步的材料和器件方面的研究工作提供了重要實驗數據。（3）采用MonteCarlo方法研究了SiC的載流子輸運特性，在分析SiC能帶結構和主要散射機構的基礎上，建立了準確的色散關系和主要散射機構的幾率表達式。采用自恰單粒子MonteCarlo方法（SPMC）模擬了SiC穩態電子輸運特性，得到了SiC的電子遷移率隨溫度，電子漂移速度隨電場的變化規律，充分體現了SiC的高溫和高場特性。得到了另一些參量如電子能量，動量弛豫時間隨溫度和電場的變化關系，為開展SiC器件的研究工作提供了重要數據。采用系統MonteCarlo方法（EMC）對SiC中的瞬態輸運進行了研究，WORD格式可編輯WORD格式可編輯首次預見到在SiC中的速度過沖效應。（4）SiC器件的溫度特性的研究，對SiC-MOSFET，MESFET，JFET的溫度特性進行了理論研究，其中包括解析模型和數值模型，并得到了各種參數的變化規律。這些研究表明，SiC具有優良的高溫特性，這是硅和砷化鎵器件無法相比的。所建立的模型對于進一步的SiC器件和集成電路的設計和研究工作具有重要指導意義。高溫SiC器件的研制。（1）（1997年）［16］制作出可以用于器件制作的歐姆接觸，采用蒸發技術將Ni-Cr（0.8:0.2）在中等摻雜的6Hn-SiC上制作了性能優越的歐姆接觸，其比接觸電阻為8.4x10-5Q-cm2。這一結果為進一步的器件研制工作打下基礎。（2）（1999年）［13］進行了6H-SiC和4H-SiC肖特基二極管的研制，得到了肖特基二極管，具有較好的整流特性，理想因子為1.23，肖特基勢壘高度為1.03eV，開啟電壓為0.5V。（3）（2000年）［11］設計和研制了MOSFET，得到了我國第一只6H-MOSFET。測試結果表明，MOSFET具有較好的直流特性，最大跨導為0.36mS/mm，溝道電子遷移率為14cm2/V.s。和國外的九十年代中后期報道水平相當。研究了工藝對柵氧化層質量的影響，用SIMS方法分析了碳，氧，鋁，氮，硅等元素在二氧化硅中的分布，為制作良好的氧化層提供了重要實驗數據。（4）（2001年）［9］研制了碳化硅混合Pin/Schottky二極管（MPS）,其擊穿電壓大于600V,導通電流為1000A/cm2.以上成果為進一步的研究打下了良好的基礎。結束語四十多年來，感謝科學家們的努力工作，硅技術不斷的進步，已經基本滿足各種應用，目前98％的固態器件采用硅材料，研究者不斷的在提高硅片質量，器件結構，模型和可靠性等做工作。然而硅器件的性能已到物理極限，不能滿足將來的需要。碳化硅由于在耐壓、溫度和功率密度方面比硅有很大提高，是一種新型的功率半導體技術。目前各種碳化硅功率器件都有研究級的報道，在RF部分已經開始商業化。實際上，碳化硅材料的進展已使部分碳化硅功率器件大面積商業化成為可能。當然，碳化硅技術要完全實現商業化還有許多關鍵的技術問題需要解決，如材料的質量，Si-SiO2界面的性能，接觸的熱穩定性以及鈍化系統等。參考文獻：J.P.Chante,M.L.Locateli,D.Planson,etal“SiliconCarbidePowerDevices”.SemiconductorConference,1998.CAS'98Proceedings.1998International,Volume:1,1998Page（s）:125-134vol.1ByAnantK.Agarwal,SitaS.Mani,SureshSeshadre,etal.“SiCPowerDevices”.NavalResearchReviews,Vol.51,Number1/1999,pp.13-25BurakOzpineci,LeonM.Tolbert,SyedK.Islam,Md.Hasanuzzaman,"SystemImpactofSilicon專業知識整理分享WORD格式可編輯WORD格式可編輯專業知識整理分享專業知識整理分享CarbidePowerDevices,"JournalofHighSpeedElectronics,2002.[4]張玉明，張義門：“SiC功率器件”，電子科技導報，No.11,1996,pp24-29http：//[7]揚林安，張義門，張玉明：“4H-SiC射頻功率MESFET的自熱效應分