第三代半导体面SiC碳化硅器件及其应用

1、FX L L I 尸 A I L I I L 尸，C A I第三代半导体面- SiC （碳化硅）器件及其应用作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光 电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率/高额电子器件最重要的半导体材料.特别 是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了 Si器件和GaAs器 件.因此，SiC器件和各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来超重要的作 用.？从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电 路获得了快速的发展.在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC

2、器件已经得到较广泛的商业应用.发展迅速.经过近10年的发展，目前SiC器件工艺 已经可以制造商用器件.以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产 品.国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果.虽 然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前Si C器件和电路的性能不够优越.除了 SiC材料和器件工艺需要不断提高外.更多的努力 应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC材料的优势方 面.SiC分立器件的研究现状？目前.SiC器件的研究主要以分立器件为主.对于每一种器件结构，共最初的研究部是 将

3、相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC上，而没有进行器件结构的优化.由 于SiC的本征氧化层和Si相同，均为SiO2，这意味着大多数Si器件特别是M帕型器件 都能够在SiC上制造出来.尽管只是简单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人 满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场.SiC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种 大批量商业生产的SiC器件.日前高电压SiC肖特基二极管、SiC射频功率晶体管以及 SiC MOSFET和MESFET等也已经有商业产品.当然所有这些SiC产品的性能还远没有发 挥SiC材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件

4、还有待研究与开发.这种简单的移 植往往不能完全发挥SiC材料的优势.即使在SiC器件的一些优势领域.最初制造出来 的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比.？ 为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器 件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以提高SiC器件的功能和性 能.1. 1 SiC肖特基二极管？肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用.由于肖特基二极管 的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟.普渡大学最近制 造出了阻断电压高达4. 9kV的4H-SiC肖特基二极管，特征导通

5、电阻为43mQc/，这 是目前SiC肖特基二极管的最高水平.通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金一半肖特基接触边沿处的电场集中.所 以提高肖特基二极管阻断电压的主要方法就是采用不同的边沿阻断结构以减弱边沿处的 电场集中.最常采用的边沿阻断结构有3种：深槽阻断、介质阻断和pn结阻断.普放 大学采用的方法是硼注入？结阻断结构，所选用的肖特基接触金属有Ni，Ti. 2000年 4月Cree和Kansai联合研制出一只击穿电压高达12. 3kV的SiC整流器，主要采用了 新的外延工艺和改进的器件设计.该器件具有很低的导通电阻，正向导通电压只有V, 电流密度高，可以达到100A/c/，是同类Si器

6、件的5倍多.SiC功率器件？由于SIC的击穿电场强度大约为Si的8倍.所以SiC功率器件的特征导通电阻可以做 得小到相应Si器件的1/400.常见的功率器件有功率MOSFET、IGBT以及多种MOS控制 闸流管等.为了提高器件阻断电压和降低导通电阻，许多优化的器件结构已经被使 用.表1给出了已报道的最好的SiC功率MOSFET器件的性能数据Si功率MOSFET的功 率优值的理论极限大约为5MW /皿.除了横向DM0SFET因为特征导通电阻较高而使得优 值较小外，其他SiC功率器件的功率优值均大于Si功率MOSFET器件的理论极限，特别 是普渡大学制造的UMOS累积型FET的大功率优值是Si极限

7、值的25倍.1. 3 SiC开关器件到目前为止，SzC开关器件，无论是MOSFETs还是半导体闸流管，通常都是采用纵向器 件结构，用衬底作为阴极.关态时，电压被一个反偏的pn结阻断.为了获得更高阻断 电压，该pn的一边即“漂移区”很厚，而且掺杂浓度要低，所以纵向SiC功率开关器 件的阻断电压主要依赖于漂移区的掺杂浓度和厚度.漂移区厚度一定时，不管掺杂浓度 如何，总存在一个最大可能的阻断电压.然而至今，所能获得的SiC外延层的厚度最大 只有10um这就决定了最大可能的阻断电压大约为1600V.有效克服这一限制的方法就 是改变器件的结构，即采用横向器件结构.普渡大学已经采用横向器件结构制造出了横

8、向DMOSFETs.首先在绝缘4HSiC讨底上外延n型SiC，然后在外延层上制造器件.显 然，横向器件结构的最大阻断电压不受外延层厚度的限制，采用这种结构已经制造出了 阻断电压高达2. 6kV的LDMOSFETs.然而目前的横向LDMOSFET的特征导通电阻还比较 高，这主要是因为当用横向结构代替纵向结构时.所需的器件面积将会增大.如果能够 把减小表面电场概念和器件设计结合起来，那么导通电阻能够做得比相应的纵向器件还 低.1. 4 SiC微波S件？SiC的高饱和漂移速度、高击穿场强和高热导率特性使得SiC成为1-10GHZ范围的大功 率微波放大器的理想材料.短沟道SiC MESFETs的特征频

9、率已经达到22GHz.最高指荡 频率f可以达到50GHz.静电感应晶体管(SITs)在600MHz时功率可以达到470W(功率密 度为1. 36W / mm)，3GHz时功率为38W(1. 2W / mm).由于SiC的热导率很高(GaAs的0 倍，GaN的3倍)，工作产生的热量可以很快地从衬底散发.通过改进器件结构，SiC SI Ts的特征频率目前可以达到7GHz.最近普渡大学在半绝缘4HSiC上制造出了一种亚 微米T型栅MESFETs，饱和漏电流为350mA/mm，跨导为20m5/mm，漏击穿电压为120 V，最大可获得的射频功率密度为3. 2W / mm.1. 5 SiC器件的高温特性？

10、SiC器件在300C以上高温条件下的工作特性也被大量研究，NASA制造的6HSiC掩 埋栅JE2T在600C高温下表现出很好的低泄漏开关特性.然而，该器件在此高温下只 工作了 30个小时，器件发生了很小的退化，退化原因是接触金屑的氧化.但是当SiC 器件在惰性气体环境中工作，在600C高温下寿命要长得多.只要改善工艺控制的精 确性并解决好接触金属和封装问题，SiC器件的高温寿命就会大大提高.SiC集成电路的研究现状？与S1C分立器件追求高电压、大功率、高频以及高温特性不同，SiC集成电路的研究目 标主要是获得高温数字电路，用于智能功率ICs的控制电路.由于SiC集成电路工作对 内部电场很低，所

11、以微管缺陷的影响将大大减弱，这可以从第一片单片SiC集成运算放 大器芯片得到验证，实际成品宰远远高于微管缺陷所决定的成品率，因此，基于SiC的 成品率模型与Si和CaAs材料是明显不同的.该芯片是基于耗尽型NMOSFET技术.主要 是因为反型沟道SiC MOSFETs的有效载流子迁移率太低.为了提高Sic的表面迁移率， 就需要对SiC的热氧化工艺进行改进与优化.？美国普渡大学在SiC集成电路方面做了大量工作.1992年研制成功厂基于反型沟道6H SiC NMOSFETs单片数字集成电路.该芯片包含与非门、或非门、同或门、二进制计数 器和半加器电路，在25C到300C的温度范围内均可正常工作.1

12、995年采用钒注入 隔离技术制造出第一个SiC平面MESFET Ics通过精确控制钒的注入量，可以获得绝缘S iC. ?在数字逻辑电路中，CMOS电路比NMOS电路具有更大的吸引力.1996年9月制造出第一 片6HSiC CMOS数字集成电路.该器件使用了注入口阶和淀积氧化层，但是由于其他 的工艺问题，该芯片中PMOSFETs的阂值电压太高.在1997年3月制造第二代SiC CMOS 电路时.采用了注入？阱和热生长氧化层工艺.通过工艺改进得到的PMOSEFTs的阂值 电压大约为-4. 5v.该芯片上所有的电路都能在室温到300C范围内很好地工作，采 用单一电源供电，电源电压可以为5-15V之间

13、的任意电压.随着衬底圆片质量的提高，将能制造出功能更强和成品率更高的集成电路.然而，当Si C材料和工艺问题基本解决以后，器件和封装的可靠性问题将上升为影响高温SiC集成 电路性能的主要因素.SiC器件的应用现状？SiC器件在高温、高频、大功率、高电压光电子及抗辐照等方面具有巨大的应用潜力.3. 1 SiC器件在高温环境中的应用？在航空航天和汽车设备中，电子器件经常要在高温下工作，如飞机发动机、汽车发动 机、在太阳附近执行任务的航天器以及卫星中的高温设备等.使用通常的Si或者GaAs 器件，因为它们不能在很高的温度下工作，所以必须把这些器件放在低温环境中，这里 有两种处理方法：一种是把这些器件

14、放在远离高温的地方，然后通过引线和连接器将它 们和所需控制的设备连接起来；另一种是把这些器件放在冷却盒中，然后放在高温环境 下.很明显，这两种方法都会增加额外的设备，增加了系统的质量，减小了系统可用的 空间，使得系统的可靠性变差.如果直接使用可以在高温下工作的器件，将可以消除这 些问题.SIC器件可以直接工作在3M一枷Y，而不用对高温环境进行冷却处理.？ SiC电子产品和传感器能够被安装在炽热的飞机发动机内部和其表面上，在这种极端工 作条件下它们仍然能够正常发挥功能，大大减轻了系统总质量并提高可靠性.基于SiC 器件的分布控制系统可以消除在传统的电子屏蔽控制系统中所用引线和连接器的9 0%.这

15、一点极为重要，因为在当今的商用飞机中、引线和连接器问题是在停工检修时 最经常遇到的问题.？根据美国空军的评估，在F16战斗机中使用先进的SiC电子产品，将使该飞机的质量 减轻几百公斤，工作性能和燃料效率得到提高，工作可靠性更高，维护费用和停工检修 期大大减少.同样，SiC电子器件和传感器也可以提高商用喷气客机的性能，据报测对 每架客机附加的经济利润可以达到数百万美元.？同样，SiC高温电子传感器和电子设备在汽车发动机上的使用将能做到更好的燃烧监控 与控制，可以使汽车的燃烧更清洁、效率更高.而且，SiC发动机电子控制系统在12 5C以上也能很好地工作，这就减少了发动机隔箱内的引线和连接器的数量，

16、提高汽车 控制系统的长期可靠性.？现在的商用卫星需要散热器去驱散航天器电子器件所产生的热量，并且需要防护罩来保 护航天器电子器件免受空间辐射的影响.由于SiC电子器件不但可以在高温下工作，而 且具有很强的抗幅照特性，所以SiC电子器件在航天器上的使用能够减少引线和连接器 的数量以及辐射防护罩的大小和质量.如果发射卫星到地球轨道的成本是以质量计，那 么使用SiC电子器件减轻的质量可以提高卫星工业的经济性和竞争力.？使用高温抗辐照SiC器件的航天器可以用来执行太阳系周围的更具挑战性的任务.将 来，当人们在太阳周围和太阳系内行星的表面执行任务时，具有优良高温和抗辐射特性 的SiC电子器件将发挥关键性

17、的作用、对于在太阳附近工作的航天器来讲，SiC电子器 件的使用可以减少航天器的防护和散热设备，于是在每一个运载工具中可以安装更多的 科学仪器.3. 2 SiC器件的微波应用SiC器件除了可以在高温下工作以外，还具有很多优良的微波特性。？关键的航空无线电设备依赖于前端射频接收器探测和放大有用信号以及过滤干扰信号的 能力.随着无线电波频谱越来越拥挤，由射频干涉引起的导航和定位航空设备发生故障 对飞行安全的威胁越来越大.使用SiC半导体器件将会大大增强射频接收器电路的抗干 扰能力.与Si混频器相比，SiC混频器成功地将Si接收器电路中的射频干扰减弱到原 来的十分之一.比较Si混频器电路接收到的信号频

18、谱和SiC混频器电路的信号频谱，能够很明显地得 到上述结论.频语中央的两个最大值就是所要接收的无线电信号，它包含与航空控制有 关的信息.在图中有用信号两边的那些信号峰值代表不需要的互调失真信号，会对所需 信号的正确探测与编码产生干扰.SiC二极管混频器电路降低了这些不需要的干涉峰值 点，使得它们不能被观察到.这些电路很明显地提高厂无线电设备的可靠性，甚至在飞 机起飞和降落期间乘客仍然可以便用便携式电子通讯工具.？SiC微波电子器件能够工作在高功率密度和高温条件下，这将大大提高无线通信设备和 雷达的功能勺性能.目前大多数固态微被通信和雷达电子器件是通过CaAs半导体技术 制造的，然而，军用飞机所

19、需微被电子器件要在比她的理论极限还高的功率和温度下工 作，SiC微波电子器件正在被研制用于填补这一空白.除此之外，SLC微波电子器件的 许多性能优势可以应用于“全球通”无线通信.？目前，雷达普通采用全固态器件和组件，P，L，S，X波段相控阵雷达固态器件，尤其是 T/R组件开始采用SiC器件.在X波段以下，S6C器件无论在功率、体积、性能等方面 都具有明显的优越性，同时，SiC射频电路有望在雷达系统、蜂窝电话基站和高清晰度 电视(HDTV)发射机中被使用.3. 3 SiC智能功率器件在电力系统中的应用先进的SiC功率电子器件能够提高公用电力系统的效率和可靠性.当前，任一时刻所需 提供的电能应该比实际消耗的电能多大约20%.这些过剩的电力储存为的是确保电力服 务能够稳定和可靠.以免受到日常负载变化和局部故障的影响.将智能功率器件和电源 阵列结合起来能大大地降低所必需的电能存储余量，因为这些