宽禁带半导体器件对比(共7页)

1、宽禁带半导体功率器件刘海涛陈启秀摘要阐述了宽禁带半导体的主要特性与SiC、金刚石等主要宽禁带半导体功率器件的最新发展动态及其存在的主要问题，并对其未来的发展作出展望。关键词宽禁带半导体功率器件碳化硅金刚石Wide Bandgap Semiconductor Power DevicesLiu Haitao,Chen Qixiu(Institute of Power Devices,Zhejiang University,Hangzhou 310027)AbstractThe paper presents the main characteristics of wide bandgap semic

2、onductors,and elaborates the latest development of SiC and diamond power devices.At the same time,the future development of SiC and diamond power devices is forcasted.KeywordsWide bandgap semiconductorPower devicesSiCDiamond1引言由于Si功率器件已日趋其发展的极限，尤其在高频、高温及高功率领域更显示出其局限性，因此开发研制宽带半导体器件已越来越被人们所关注。所谓宽带半导体（

3、WBG)主要是指禁带宽度大于2.2电子伏特的半导体材料，包括O、S、Se、N、SiC、金刚石以及其他一些化合物半导体材料。这些材料一般均具有较宽的禁带、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率，因此他们比Si及GaAs更适合于制作高温、高频及高功率器件。其中Johnson优值指数（JFOMEc.vs/2，Ec为临界电场；vs为电子饱和速率）、Keyes优值指数（KFOMC.vs/41/2，其中C为光速；为介电常数）和Baliga优值指数（BFOMEG3,其中EG为禁带宽度，为迁移率）分别从功率频率能力、耐热能力及导通功率损耗三方面说明了这一科学事实1。表12列出了常见宽带半导体与Si,GaA

4、s的比较。表1宽禁带半导体材料的基本特性材料特性SiGaAsSiC4H-SiCGaNAlN金刚石禁带宽度eV1.11.432.23.263.456.25.45电子饱和速率/×107cm.s-11.01.02.22.02.22.7迁移率cm2.V1.s1电子空穴15006008500400100050114050125085022001600击穿电场×105V.cm1362030>10100介电常数11.812.59.79.61098.55.5电阻率.cm1000108150>1012>1010>1013>1013热导率W.cm1.K11.50.

5、464.94.91.33.022Johnson优值指数×1023W1.1.s29.062.5253344101567073856Keyes优值指数×102W.cm1.s113.86.390.3229118444Baliga优值指数（相对于Si而言）220394650815106030002727由表1可知宽禁带半导体具有许多优点：1)WBG具有很高的热导率(尤其是SiC与金刚石),使得它们能够迅速转移所产生的热量，广泛用于高温及高功率领域；2)由于WBG的禁带宽度很大，因此相应器件的漏电流极小，一般比Si半导体器件低1014个数量级，有利于制作CCD器件及高速存储器；3)W

6、BG具有比普通半导体更低的介电常数及更高的电子饱和速率，使之比Si，GaAs更适合于制作毫米波放大器及微波放大器。除此之外，WBG还具有负的电子亲和势及很高的异质结偏置电势，使得它们特别适合于阴极发射的平板显示器。鉴于近几年SiC与金刚石材料的生长技术及氧化、掺杂、欧姆接触等工艺的成熟，使得SiC与金刚石器件得到了突飞猛进的发展，下面我们将主要评述SiC及金刚石的最新发展。2SiC功率器件近年来SiC功率器件的研究引起了世界科学界的高度重视,尤其是美国、欧洲等发达国家为此投入了大量的资金；同时也涌现出一批新型的SiC功率器件，主要包括LED发光器件、pn结及肖特基整流器件、FET、双极晶体管及

7、晶闸管。2.1SiC二极管整流器件1987年Shiahara等人通过CVD技术研制出第一只6H-SiC二极管,当时的击穿电压在600伏左右。最近L.G.Matus等人又研制出耐压为1000V6的高压pn结二极管,他通过CVD技术在6H-SiC衬底上淀积p型、n型6H-SiC而制成这种高耐压的台势二极管。使用的工艺主要有：反应离子刻蚀(RIE)、氧化、欧姆接触。该器件的工作温度可达600以上，反向漏电流仅为0.4A(室温），600时为5A。目前SiC p-i-n二极管的反向恢复时间可达100ns以下，仅为Si p-i-n二极管的1/3左右。但由于SiC pn结的自建电势差较大，为了解决这一问题，

8、人们采用肖特基结来代替pn结,从而大大降低导通压降。一种耐压400V的SiC肖特基整流器3在电流密度为100A/cm2时压降仅为1.1V，远低于相应的pn结二极管，而且肖特基整流器具有极短的反向恢复时间，约为10ns,而Si p-i-n二极管的反向恢复时间约为250ns。此外，通过步进控制外延生长技术已成功研制出耐压为1100V以上的6H肖特基整流器4。该器件的开态电阻比Si整流器低一个数量级，与温度的关系为Ron-T2.0,而在Si整流器中为Ron-T2.4。如果不采用结终端技术，SiC整流器的耐压一般只能达到理论值的5080左右。因此为了进一步提高耐压值，采用结终端技术是很有必要的。目前一

9、般采取在肖特基边缘自对准注入Ar形成非晶层或在结边缘处注入B+离子形成高阻层，然后进行热处理，这样可使器件的耐压超过1750V。2.2SiC FET器件由于SiC材料具有极高的击穿电场，故在具有相同耐压的情况下，漂移区电阻可减小两个数量级（相对于Si而言)。表2列出了各种击穿电压下Ron比值及漂移区长度比值，由表2可知，当电压超过200V时，SiC MOSFET的导通电阻Ron要比Si MOSFET低两个数量级。因此从理论上讲耐压5000V、导通电阻为0.1.cm2的DMOS功率器件是可以实现的。但是我们必须注意到目前影响SiC器件耐压的关键因素还是栅氧化、掺杂及欧姆接触等工艺的完善及成熟。表

10、2Si与SiC材料制作的MOSFET(不同电压下)Ron比值及漂移区长度比值Rsi,spRsic,spWsiWsic电压/V502001000500050200100050006H-SiC92.9198.2305.9355.912.48/1.1681.59/7.69293.628.02533.451.14H-SiC49.388.8177.4729.412.481.6581.5910.97293.639.9533.473.4SiC MESFET（如图1）及JFET等高频功率器件也是近几年SiC器件研究的一个重点。在MESFET中通常采用p层来实现隔离，而且采用高阻衬底代替导电衬底可大大提高截止频

11、率。由Charles.E.Weitzel等人研制的栅尺寸为0.7m×322m的4H MESFET5具有3842mS/mm的跨导，最大工作频率为12.9GHz。1996年S.Sriram等人在高阻衬底上研制出来的4H-MESFET最大工作频率可达42GHz,功率增益为5.1dB(f=20GHz),击穿电压超过100V；使之在高频应用中具有巨大的潜力。表3给出了目前已经研制出来的最新MESFET的各种参数比较。表3最新MESFET参数比较材料栅长/mfT/GHzfmax/GHz参照6H-SiC0.51025S.Sriram4H-SiC0.41430.5Allen4H-SiC0.513.2

12、42S.Sriram图1基本的SiC MESFET由表3可知，由于近年来采用高阻衬底及亚微米栅技术，使得MESFET的工作频率迅速上升。对于具有同一尺寸的4H-MESFET采用导电衬底及高阻衬底可分别获得fmax=25GHz及fmax42GHz的高频功率器件。相应的参数为：LG=0.5m；沟道掺杂为5×1017cm-3；n+掺杂大于1019cm-3。2.3其它SiC器件除了以上所述的SiC器件以外还有一些其它的SiC器件，如晶闸管器件、双极晶体管器件。相对于MOSFET而言，SiC晶闸管更适合于高电流、高电压及高温条件下工作，而且不需要SiC栅氧化等一系列高难度工艺。理论表明，SiC

13、晶闸管可以在超高压(510keV)、超高电流范围内应用。目前K.Xie等人研制出来一种高电流晶闸管，电流密度可达5200mA/cm2，关断时间小于100ns，工作温度可在300以上。相对于其它SiC器件而言，SiC双极晶体管的研究比较少一些。SiC双极晶体管的增益比较低，一般为10左右。这主要是由于基区的载流子寿命较短以及扩散系数较低所致，采用异质结(HBT)可适当改善这一问题。目前的SiC HBT的截止频率可达31GHz以上，电流密度可达30000A/cm2,比AlGaAs/GaAs器件的电流能力大2倍以上；即使在450时其功率增益仍可达常温时的50，而AlGaAs/GaAs在此温度下早已失

14、效。3金刚石功率器件金刚石作为一种半导体材料，除了具有最高的硬度以外，它还具有大的禁带宽度、高的击穿电场、低的介电常数以及最高的热导率，其性能远远超过Si及其它宽禁带半导体材料，因此有人预言金刚石半导体器件将成为二十一世纪电子器件的主流。预计到2000年，金刚石的市场贸易额将达到980亿美元,单价将下降到24美元/克。虽然金刚石功率器件的发展远远落后于Si器件，但近十年来化学汽相淀积技术的迅速发展为金刚石薄膜器件的进一步发展提供了可能。从技术角度看，金刚石薄膜器件的研究可分为两条途径：一是外延生长掺杂金刚石单晶膜，一般采用同质外延；二是在非金刚石衬底上生长金刚石多晶膜用来制作功率器件，特别是S

15、i及GaAs无法应用的高温、高压以及高频、高功率微波固体器件等。目前人们已成功研制出金刚石薄膜肖特基二极管和场效应晶体管，其水平大致如下：1)最小的欧姆接触电阻为10-7.cm2。2)最大的肖特基二极管整流比为If/Ir=107。3)最大的击穿电场为3×106V/cm。4)对于FET，最大的跨导为0.22mS/mm,漏电流为A数量级。5)最高的工作温度在350以上，最高工作电压为100V。金刚石薄膜肖特基二极管可以制作在天然或合成的单晶金刚石上，也可以制作在同质或异质外延的金刚石膜上。但是一般情况下整流器的串联体电阻比较大，严重影响其整流性能，采用p+衬底可适当改善这一问题。1994

16、年W.Ebert等人研制的p/p+金刚石肖特基二极管7在150时的串联电阻仅为14，500时下降到8，这是当时串联电阻最小的肖特基二极管，±2V时的整流比为105。此外，由于金刚石半导体功率器件一般工作在高温、高压条件下，所以其反向漏电流往往比较大。为了降低反向漏电流，采用高质量的单晶金刚石衬底是很有必要的，因为衬底质量将严重影响反向泄漏电流。由于金刚石的施主掺杂非常困难，因此对FET的研究主要集中在MESFET上。虽然目前已通过CVD方法成功研制出许多场效应管，但是由于工艺的限制，试验结果远低于其理论值。研究表明,采用脉冲沟道掺杂有利于提高器件的跨导与最高工作电压。1995年Hir

17、omu Shiomi研制出一种脉冲掺杂的p沟道MESFET；1997年德国Ulm大学的A.Vescan又研制出一种脉冲掺杂的新型MESFET（如图2所示）8，该器件包括脉冲掺杂沟道，选择生长并重掺杂的欧姆接触区以及用Si形成的源、漏、栅接触。Ib单晶合成金刚石作衬底。同质外延膜用微波汽相化学淀积(MWCVD)制得，该器件的工作电压可达100V。该MESFET是第一只用肖特基栅控制的高温金刚石场效应管，350时最大跨导为0.22mS/mm，是目前跨导最高的金刚石场效应管。图2脉冲掺杂的金刚石MESFET由于MESFET中存在与沟道平行的寄生导电沟道,该寄生沟道严重影响了MESFET的饱和性,使漏

18、电流在高压下不能夹断。此外,较高的栅泄漏电流及表面SiO层的界面态电荷也严重影响了MESFET的高温特性。总而言之,金刚石薄膜器件的发展主要存在以下问题：1)由于不能进行有效的n型掺杂，不能制作pn结，这严重限制了金刚石的使用和开发。除了制作无源器件以外，只能制作肖特基二极管及场效应管。2)金刚石掺杂唯一可用的B受主激活能比较大（约为370meV),甚至在高温时也不能完全激活，因此跨导较低及漏极电流较小，不利于器件工作。3)由于金刚石是共价键半导体，有与金属无关的势垒；而且由于金刚石表面难以形成重掺杂。因此难以形成良好的欧姆接触。尽管目前金刚石功率器件的发展存在一些问题,但总的看来,金刚石器件

19、是一种在高压、高温领域具有强大生命力的新器件。随着各种CVD技术的发展和完善,以及n型掺杂、异质外延和半导体器件设计、封状技术的成熟,金刚石器件在下一世纪初将得到巨大的发展,同时也将使超大规模及超高速集成电路的发展进入一个崭新的时代。4结论随着半导体功率器件的进一步发展及其工作温度、工作电压、工作频率的升高，Si功率器件已经显示出其局限性，因此开发研究以SiC、金刚石为代表的宽禁带半导体器件已越来越被人们所关注。本文在此阐述了宽禁带半导体材料的基本性质与SiC、金刚石半导体功率器件的最新发展动态及其存在的一些困难。虽然这些宽禁带半导体器件的发展远远落后于Si器件，但是我们相信，SiC、金刚石等

20、宽禁带半导体器件必将成为二十一世纪电子器件及集成电路的主流，它们将改变以Si为基础的微电子产业结构,同时也将给社会各领域尤其是电子领域带来一场规模浩大的技术变革。刘海涛男，1996年毕业于浙江大学信电系微电子专业，现于该校攻读博士学位。主要研究方向为功率器件新结构及智能功率集成电路的研究。陈启秀男，教授，博导，1956年毕业于浙江大学电机工程系；曾在浙江大学电机系、信电系（原无线电系）任教，现任浙江大学功率器件研究所所长。主要从事半导体器件物理与工艺、双极与场控功率器件以及智能功率集成电路的研究。国家自然科学基金资助项目器件研究与制造作者单位：浙江大学信电系功率器件研究所，杭州310027参考文献1Baliga B J.Power semiconductor devices figure of merit for high frequency application.IEEE EDL 1989；10(10):4554572Yoder M N.Wide bandgap semiconductor materials and devices.IEEE Trans ED,1996；43(10):1633163