晶体中的散射

晶体中的散射(几率)、迁移率与温度的关系载流子的散射：我们所说的载流子散射就是晶体中周期场的偏离，定义：载流子受到电离杂质中心库仑作用引起运动方向的变化(2)散射几率P和杂质浓度大体成正比，和能量的3/2次方成反比；由于能量与温度成正比，因此在温度较低时，电离杂质有较强的散射作用，此时迁移率由电离杂质散射决定，由公式卩=eT/m格波：晶格原子的本征运动称为格波个q值(q表示格波的波矢，方向是波传播的方向，大小等于2n/入)有六种振动方式：三个声学波和三个光学波。化，引入“声子”表示晶格振动能量量子化的单元，即晶格振动能量的量晶格散射对迁移率的影响：对于Si，Ge等半导体只考虑纵声学波对12纵声学波晶格散射的散射几率和温度的2/3次方成正比，与电离杂质散射相反。所以，有三、同时存在几种散射机制在同时存在几种散射机制时由前面的分析可以得到:,总的散射几率应为各散射几率之和,P二PI+PL有---=-----+-----LL分别表示电离杂质散射和晶格散射单独起作用时的迁移率(1)低温时，迁移率卩正比于温度的3/2次方，此时(2)温度高时，迁移率卩反比于温度的3/2次方，此时严口XT-3/L四、正向导通压降决定于势垒高度。势垒高度本身就由金半功函数差决定正向开启电压，应该3Ron:主要受限于有源区掺杂，也是和势垒高度相关的。串联电阻，电极的电阻是一个，还有体材料的。如果是沟道电阻和电极电阻。2DEG器件，那么就是五、碳化硅电力电子器件研发进展与存在题目借助于微电子技术的长足发展，以硅器件为基础的电力电子技术因大功率场效应晶体管（功率M0$和尽缘栅双极晶体管（IGBT）等新型电力电子器件的全面应用而臻于成熟。目前，这些器件的开关性能已随其结构设计和制造工艺的相当完善而接近其由材料特性决于是，依靠新材料满足新一代电力电子装置与系统对器件性能的更高要求，早在世纪交替之前就在电力电子学界与技术界形成共叫，对碳化硅电力电子器件的研究与开发也随之形作为一种宽禁带半导体材料，碳化硅不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度咼、热导率咼等特点，可以用来制造各种耐咼温的咼频大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合，或在一般应用中产生硅器件难以产生的效果。使用宽禁带材料带宽度分别高达3.0eV和3.25eV，相应的本征温度可高达800°C以上；即就是禁带最窄的3C-SiC，其禁带宽度也在2.3eV左右。因此，用碳化硅做成的器件，其最高工作温度有可能超过600°G功率开关器件的反向电压承受力与其漂移区（单极器件）或基区（双极器件）的长度和电阻率有关，而单极功率开关器件的通态比电阻又直接决定于漂穿电场强度的立方成反比。使用击穿电场强度高的材料制作高压功率开关，其电阻率不必选择太高，器件的漂移区或基区也不必太长。这样，不但其通态比电阻会大大降低，工作频率也会大大进步。碳化硅的击穿电场强度是硅的8倍，其电子饱和漂移速度也是硅的2倍，更有利于进步器件的工作频率，因而碳化硅单极功率开关不单是通态比电阻很低，其工作频率一般也要比硅器件高10倍以上。热导率高则使碳化硅器件可以在高温下长时间稳定工作。此外，碳化硅还是目前唯一可以用热氧化法天生高品质本体氧化物的化合物半导体。这使其也可以象硅一样用来制造电力电子技术有可能从碳化硅材料的实用化得到的好处，就不仅仅是使用碳化硅功率开关器件对整机性能的改善，也包括材料的耐高温能力和化学稳定性通过集成信号采集与处理4系统和智能控制系统对整机性能的改善，从而可以在恶劣环境中保持良好工作状态。随着直径30mm左右的碳化硅片在1990年前后上市，以及高品质6H-SiC和4H-SiC外延层生长技术紧随其后的成功应用，各种碳化硅功率器件的研究和开发即蓬勃开展件）进步到600V。同时，其高温特性特好，从室温到由管壳限定的175C，反向漏电流几乎没有什么增加。若采用适当的管壳，这种新器件的工作温度可超过300C。目前，很多公司已在其IGBT变频或逆变装置中用这种器件取代硅快恢复二极管，取得进步工作频率、大幅度降低电力电子装置和系统的性能就会由于碳化硅器件的广泛应用而得到极大改善。存在的主要题目作一评述。2碳化硅电力电子器件可能高的承受浪涌电流（电流在数十毫秒的瞬间数倍于稳态值）的能力。由于浪涌电流会于单极功率器件的通态比电阻随其阻断电压的进步而迅速增大，硅功率MOS只在电压等级不超过100V时才具有较好的性能价格比。尽管硅IGBT在这方面有很大改进，但其开关速度比功率MOS氐，不能满足高频应用的需要这就是说，假如用碳化硅制造单极器件，在阻断电压高达10000V的情况下，其通态压降还会比硅的双极器件低。而单极器件在工作频率等方面要电力电子器件的研究开发比较集中于肖特基势垒二极管和MOSFET并取得较大进展；但2.1碳化硅肖特基势垒二极管（SBD）很多金属，例如镍（Ni）金（Au）、奄白（Pt）、钯（Pd）、钛（Ti）、钴。6H-SiC的肖特基势垒高度变化范围较宽，最低只有0.5eV,最高可达1.7eV。美国北卡州立大学功率半导体研究中心（PSRC于1992年最先报道了全世界首次研制成功的6H-SiC肖特基势垒二极管，其阻断电压为400V。在他们1994年的报道中，阻断电压进步到1000V,接近其理论设计值。随后，对碳化硅肖特基势垒二极管的研发活动扩展到欧洲和亚洲，使用材料扩大到4H-SiC，阻断电压也有很大进步。由于高电压下碳化硅的肖特基势垒比硅薄，进一步进步碳化硅肖特基势垒二极管的碳化硅肖特基势垒，与碳化硅临界击穿电场3MVcm-1相对应的最高击穿电压下的势垒宽度只有3nm左右。这正好是发生电子隧穿的典型宽度。为了充分发挥碳化硅临界击穿电场强度高的上风，可采用如图1所示的pn结肖特基势垒复合结构（简称JBS或MPS来排除隧穿电流对实现最高阻断电压的限制。这种结构原本是对硅器件提出来的。由于pn结的势垒高度与半导体的禁带宽度有关，而肖特基势垒高度只决定这样，当JBS器件正偏置时，肖特基势垒区可因势垒低而首先进进导通状态，成为器件的漏电流大幅度下降。JBS与单纯肖特基势垒二极管一样，仍然是一种多数载流子器件，其反向恢复时间可降低到几个纳秒，只有硅快速二极管和碳化硅高压pn结二极管的十分之一。行p型掺杂需要很高的退火温度，在碳化硅中很难形成p+区。采用Baliga提出的凹槽肖特基势垒二极管（TSBS结构可以获得与JBS类似的效果，却可避免p型掺杂。在碳化硅外延层的表面和表层凹槽的表面分别用功函数不同的两凹槽深度搭配得当，器件的反向漏电流可以大大降低。目前，对大功率碳化硅肖特基势垒二极管的研究开发已达到小面积（直径0.5mm以下）器件的反向阻断电压超过4000V，大面积（直径超过1mn）器件也能达到1000V左右的水平。例如，在2001年中已有140A/800V4H-SiCJBS的报导。在同年的另一报导中，反向电压高达1200V的4H-SiC管已做到直径3mm其正向电流密度高达300Acm-2,而相应的正向压降只有2V。2.2碳化硅场效应器件SiO2界面的影响，碳化硅DMO或UMOS勺沟道电子等效迁移率低到只有1〜7cm2/V.s，使沟道电阻远大于漂移区电阻，成为决定器件通态比电阻大小的主要成分。研究发现，这个题目不解决，碳化硅MOSFE的通态如图3所示。这里，字母ACCU取自accumulaten。这种结构的特点是用p+隐埋层在栅氧化层下的n-表面产生一极薄的耗尽区。隐埋的深度和n-区杂质浓度要选择得能使氧化层与隐埋层之间的n-区完全被p+n-结的内建电势耗尽，从而构成一个常闭型场效应器栅氧化物下半导体层的屏蔽，有效地将氧化物中的电场强度限制在1MVcm-2左右的安全范围内。加上栅氧化层采用淀积而非热生长的方式形成，明57000V的报导，其通态比电阻要比硅ACCUFE■低250倍。一类器件没有SiC-SiO2界面，其沟道载流子的等效迁移率较高，对6H-SiC和4H-SiC都能达到300cm2/(VXs),因而将碳化硅MESFE作为微波器件来开发。早期的理论计算几年的研发实践证实这一目标完全可以实现。隐埋栅JFET由于没有对使用温度有较大限制的肖特基接触，其工作温度较高，可作A纵向导电器件，其芯片面积2.3mm2通态比电阻24.5mWcm2该器件靠隐埋栅和p+n-压高达5.5kV,栅压加到2.6V时的通态比电阻只有218mWcm2与JFET属于同一种类型的碳化硅静电感应晶体管(SIT)也是微波功率器件的主要研2.3碳化硅功率双极器件用碳化硅可以制造阻断电压很高的双极器件，譬如高压pin二极管和晶闸管等。按理论计算，设计一个反向阻断电压为25kV的碳化硅pin二极管，其n-区杂质浓度只须低则其n-区的杂质浓度须低到1012cm-3,厚度至少2mm少子寿命还须高达400ms显然，用硅来做耐压这样高的器件是不可能的，而对碳化硅则不难。碳化硅pn结二极管通常用液相外延法或气相外延法制成p+n-n结构，分平面型和台面型。习惯上，人们也将其称为pin二极管。目前常见报道的碳化硅pin二极管使用的材料是6H-SiC和4H-SiC，也有使用硅衬底上的异质外延3C-SiC的，但反向电压承受能力最高的还是用6H-SiC和4H-SiC制护，但一切适合于高压硅器件的终端技术原则上也都对碳化硅适用。目前，接近20kV的碳化硅pin二极管已见报道。日本的Sugawara研究室采用JTE（Junction管的阻断电压主要受轻掺杂厚外延技术的限制。随着硅功率MO舔口IGBT的推广应用，硅大功率双极晶体管（BJT）已逐渐淡出电碳化硅BJT的爱好，由于BJT究竟不像MOSFE那样会碰到氧化层品质严重影响器件特性的题目。碳化硅BJT的基本结构。早期工作主要使用6H-SiC和3C-SiC材料，近几年倾6向于使用4H-SiC。这主要是由于3C-SiC的衬底题目还未能很好解决，而6H-SiC和4H-SiC的大尺寸晶体生长技术发展很快，但6H-SiC的电子迁移率没有4H-SiC的高。开发碳化硅BJT的主要题目是进步电流增益。早期6H-这主要受基区载流子复合的限制。而缩短基区以适应短寿命载流子输运要求的办法，又会与硅晶闸管类似，若将图6所示结构中的n+集电区换成p+薄层，作成pnpn结构，即碳化硅的材料特长。与碳化硅功率MOS目比，对3000V以上的阻断电压，其通态电流密度可以高出几个数目级，因而特别适合于交流开关方面的应用，则是碳化硅GTQ门极可关断晶闸管）之所长。第一个用6H-SiC制作晶闸管的报道发表于1994年。该项研究用n+型6H-SiC做衬底，用外延法生长n型或p型长基区。限于当时的材料水平，具有6.5mm厚、掺杂浓度厚、掺杂浓度为1.8'1016cm-3的p型长基区的器件却能承受600V正向阻断电压。第一个用4H-SiC制作晶闸管的报道发表于1995年，其阻断电压也是600V。由于当前对阻断电压4500V以上的GTO需求量很大，最近对碳3碳化硅器件的材料与制造工艺到初步解决之后，马上就出现了碳化硅器件蓬勃发展的局面，这在很大程度上得益于碳化硅器件和集成电路就会比其他化合物半导体的器件和集成电路发展更快。3.1碳化硅材料制备由于碳化硅在常压下难以天生熔体，加热到2400°C左右就会升华，因而难以象一般晶体那样通过籽晶在熔体中的缓慢生长来制备单晶，大多采用升华法让籽晶直接在碳化硅晶体和晶片市场长期由Cree公司独家经营，直径30mm左右的高密度缺陷晶片都曾Sterling-ATMI和Litton-Airtron）也能生产和出售碳化硅晶片，但世界范围内研究和生产7碳化硅器件使用的4H-SiC和6H-SiC晶片仍主要由Cree公司提供。售价也仍然那样高，相关材料国际会议（ICSCRM上就展示了100mn大直径4H-SiC和6H-SiC晶片样品，并于当年10月开始出售直径75mm的晶片，但迄今为止仍以出售50mm晶片为主。不过，其微管缺陷密度越来越低，现已降到100cm-2以下，优质晶片的微管密度已达到不超过15cm-2的水平。从器件制造的角度，要求碳化硅晶体生长技术的进一步改善能满足生产直径超过100mm微管密度低于0.5cm-2、位错密度低于104cm-2的优质晶锭的要管之类的大功率电力电子器件就难以用碳化硅来制造。不过，微管可能只是4H-SiC和6H-SiC这样具有立方与六方混合结构的晶体所特有的缺陷。纯立方结构的3C-SiC固然迄今尚无晶锭问世，但日本的Hoya公司已宣称可以生长厚达2mm的6英寸无位错薄片，而且在这种晶片中未发现微管。假如微管确实只是一种与晶体结构有关而与生长工艺关系个电力电子技术的意义也就不问可知了。制造碳化硅电力电子器件目前仍主要采用4H-SiC或6H-SiC晶片为衬底，以高阻外延层作为反向电压的阻断层。因此，高阻厚外延技术成为碳化硅外延工艺的研发重点。碳化硅的气相同质外延一般要在1500°C以上的高温下进行，由于有升华的题目，温度不能太高，一般不能超过1800°C,因而生长速率较低相外延温度较低、速率较高，但产量较低。目前，碳化硅同质外延一般还只能做到杂质浓3.2碳化硅器件工艺固然碳化硅器件工艺和设备都与硅器件有很强的兼容性，但也远不是可以原封不动明、而且价格昂贵，至公司的生产线较难适应，倒是一些大学实验室比较灵活，成为开发碳化硅器件工艺的主力。掺杂是最基本的器件工艺。由于一般杂质在碳化硅中的扩散系数跟在SiO2中一样主要靠离子注进和材料制备过程中的伴随掺杂来满足制造碳化硅器件的需要。在碳化硅材料的气相生长过程中,n型掺杂一般用电子级纯度的氮做掺杂剂，p型掺多，注进对晶格的损伤和杂质处于未激活状态的情况都比较严重，往往要在相当高的衬底8从杂质选择到退火温度的一系列工艺参数都还需要优化，而p型离子注进对进步功率MOS勺沟道迁移率又十分重要。栅氧化物与碳化硅之间的界面缺陷对功率MOS勺沟道迁移率也有十分重要长栅氧化物也能降低界面态的密度。就同样的栅氧化物生长方法而言，6H-SiC比4H-SiC的沟道迁移率要高一些；而就体材料中的载流子迁移率而言，是4H-SiC比6H-SiC高。这说明4H-SiC的氧化物界面缺陷题目比较严重。积接触电阻低达10-5Wcm量级的水平，所用的电极材料分别是Ni和Alo不过这种接触在400°C以上的热稳定性较差。对p型4H-SiC采用Al/Ni/W/Au复合电极可以把热稳定性进步到600°C100小时，不过其接触比电合金电极也可获得类似效果。6H-SiC比4H等也适用与碳化硅器件。除此而外，在结终端注进大剂量Ar或B,借损伤晶格形成高阻区，起类似于硅功率器件中半尽缘多晶硅（SIPOS的作用，也有明显效果。若在Ar、B离子注进后再在600°C退火，器件的反向特性还会进一步用等离子体刻蚀法在半导体表面挖槽，在很多新型硅器件的研制中发挥了积极作用。这种方法对碳化硅功率器件的研制也是一种重要手段。但是，利用高能离子在碳化硅表面刻槽往往会在槽壁表面产生高密度缺陷。这些缺陷使载流子的表面散射加剧，是UMOS口具有类似结构的碳化硅器件沟道电子迁移率严重下降的主要原因。同时，槽壁粗糙还引起栅压下降和栅极漏电流过大的题目。4结束语碳化硅材料的卓越性能和碳化硅器件初露的优良特性及其更大的潜伏上风激励着人们对之抱有不减的热情和希看，对碳化硅电力电子器件的研究与开发因此而蓬勃开展，逐渐深进，进展越来越快。以碳化硅MOSFE为例，从1992年开始研制这种器件起，在起初的三、四年间，其阻断电压基本上是每13个月翻一番，随后则几乎每半年就翻一番。当然，对电力电子器件而言，碳化硅的材料上风并不仅要的一面还在其能大幅度降低功率消耗的潜力。已上市的碳化硅肖特基势垒二极管和仍在实验室里的其他碳化硅功率器件都证实了这一点。这是碳化硅作为制造电力电子器件的一种新材料而使电力电子技术的节能上风更加充分发挥的切进点。碳化硅与硅在电力电子技电子技术的进一步发展对器件提出的基本要求，而硅和砷化镓在这些方面都有很大的局限随着碳化硅晶体生长技术和器件制造技术的进一步完善，今后几年内各种碳化硅电9和开发是电力电子技术在世纪之交的一次革命性进展六、碳化硅电力电子器件研发进展与存在问题22008-11-0514:202.1碳化硅肖特基势垒二极管（SBD）许多金属，例如镍（Ni）金（Au）、乍白（Pt）、钯（Pd）、钛（Ti）、钴（Co）等，都可与碳化硅形成肖特基势垒接触，其势垒度变化范围较宽，最低只有0.5eV，最高可达1.7eV[[viii]]]。美国北卡州立大学功率半导体研究中心（PSRC）于1992年最先报道了全世界首次研制成功的6H-SiC肖特基势垒二极管，其阻断电压近其理论设计值[[X]]]。随后，对碳化硅肖特基势垒二极管的研发活动扩展到欧洲和亚洲，使用材料扩大到4H-SiC，阻断电压也有很大提高由于高电压下碳化硅的肖特基势垒比硅薄,进一步提高碳化硅肖特基势垒二极管的阻断电压就会受到隧穿势垒的反向漏电流的限制。计算表明,对一个高度为1eV的典型碳化硅肖特基势垒,与碳化硅临界击穿电场3MVcm-1相对应的最高击穿电压下的势垒宽度只有3nm左右。这正好是发生电子隧穿的典型宽度。为了充分发挥碳化硅临界击穿电场强度高的优势,可采用如图1所示的pn结肖特基势垒复合结构（简构原本是对硅器件提出来的[[xiii]]]。由于pn结的势垒高度与半导体的禁肖特基势垒高度只决定于金属与半导体的功函数差,因而这两种势垒的高度之差对宽禁带半导体来说可以很大。这样，当JBS器件正偏置时,肖特基势垒区可因势垒低而首先进入导通状态,成为器件为肖特基势垒屏蔽强电场,从而使反向漏电流大幅度下降[[xiv]],[[xv]]]],[]。JBS与单纯肖特基势垒二极管一样，仍然是一种多数载流子器件，其反向恢复时间可降低到几个纳秒，只有硅快速二极管和碳化硅高压pn结二极管的十分之一。JBS目前的困难在于p型碳化硅的欧姆接触较难形成，因为用离子注入法对碳化硅进行p型掺杂需要很高的退火温度，在碳化硅中很难形成p+区。采用Baliga提出的凹槽肖特基势垒二极管（TSBS）结构示，在碳化硅外延层的表面和表层凹槽的表面分别用功函数不同的两种种接触的势垒高度以及台面宽度和凹槽深度搭配得当，器件的反向漏电流可以大大降低目前，对大功率碳化硅肖特基势垒二极管的研究开发已达到小面积（直径0.5mm以下）器件的反向阻断电压超过4000V,大面积（直径有140A/800V4H-SiCJBS的报导[[xviii]]]。在同年的另一报导中，反正向电流密度高达300Acm-2，而相应的正向压降只有2V[[xix]]]。2.2碳化硅场效应器件碳化硅功率MOSFET在结构上与硅功率MOSFET没有太大区层所能承受的范围，导致破坏性失效。同时，由于SiC-SiO2界面比Si-受SiC-SiO2界面的影响，碳化硅DMOS或UMOS的沟道电子等效迁器件通态比电阻大小的主要成分。研究发现，这个问题不解决，碳化硅提出了一种被称作ACCUFET的结构设计，如图3所示。这里，字母ACCU取自accumulaten。这种结构的特点是用p+隐埋层在栅氧化层下的n-表面产生一极薄的耗尽区。隐埋的深度和n-区杂质浓度要选择得能使氧化层与隐埋层之间的n-区完全被p+n-结的内建电势耗尽，从而构成一个常闭型场效应器件。用正栅压将n-耗尽区转换成电子累积区，器件即被开通。这种结构通过p+n-结对栅氧化物下半导体层的屏蔽，有效地将氧化物中的电场强度限制在1MVcm-2左右的安全范围内。加上栅氧化层采用淀积而非热生长的方式形成，明显地降低了器件2000V以上，最高可达7000V的报导，其通态比电阻要比硅碳化硅MESFET和JFET是另一类非常有特色和潜在应用价值的场效应器件，其基本器件结构如图4⑻和（b）所示。由于这一类器件没有SiC-SiO2界