碳化硅功率器件.doc

WORD格式 可编辑 专业技术 知识共享 碳化硅功率器件??? ??? 张玉明 张义门??? 西安电子科技大学微电子所（西安 710071）??? 1 引言[1,2,3]：??? 目前几乎所以的功率系统中都采用硅器件,毫无疑问成熟的硅工艺技术是硅器件的最大的优势。然而硅器件的功率性能将不会有太大的提高，这是因为硅器件的电特性已接近材料物理特性的极限。首先，硅低的击穿电场意味着在高压工作时需要采用厚的轻掺杂层，这将引起较大的串联电阻，特别时对单极器件尤其如此。为了减少正向压降，电流密度必须保持在很低的值，因此硅器件的大电流是通过增加硅片面积来实现的。在一定的阻断电压下，正向压降由于载流子在轻掺杂区的存储而降低，这种效应称为结高注入的串联电阻调制效应。然而存储电荷的存储和复合需要时间，从而降低了器件的开关速度，增加了瞬态功率损耗。硅器件由于小的禁带宽度而使在较低的温度下就有较高的本征载流子浓度，高的漏电流会造成热击穿，这限制了器件在高温环境和大功率耗散条件下工作。其它限制是硅的热导率较低。??? 宽禁带半导体材料，由于有比硅更好的性能，而成为下一代功率器件的候选者，如碳化硅、氮化镓和金刚石等，它们可能在温度和阻断电压两方面都突破硅材料性能的限制。一般来说，高的电压能力是由于材料的击穿电场随着禁带宽度变大而增加，而高温能力是由于随着禁带的增加材料的本征载流子浓度减少而得到。 理论上的材料的性能可以由材料的优值准确的估算。这些优值都说明宽禁带材料的性能比常规的硅器件提高几个数量级。对功率器件而言宽禁带半导体的优点首先是它具有高的击穿电场，所以对相同阻断电压，相对于硅器件需要薄的掺杂浓度高的漂移层，这使大的正向电流成为可能。宽禁带使在很高的温度时本征载流子浓度都可以忽略。另外宽禁带半导体通常都有高的载流子饱和速度和大的热导率，适合高频和大功率应用。如碳化硅材料，它至少可以将功率能力提供十倍。??? 限制这些材料发展的主要问题是没有理想的单晶材料（除了砷化镓和几种碳化硅），且工艺制作十分困难。实际上，目前仅有碳化硅功率器件最有可能的进入商业化。本文将从材料特性，器件工艺和特性，以及国内发展情况几个方面介绍碳化硅功率器件的现状。??? 2 碳化硅材料的性能优势[2,3,4]??? 已知有170多种同体异型的碳化硅，但仅有4H和6H两种碳化硅材料的商用化单晶。 4H SiC因为有比6H SiC 更高和各相同相的迁移率，所以在许多电性能应用中具有优势。表1是几种半导体的性能比较。表中同时给出了判断材料参数对器件性能的影响的7中优值FOM(Figures of merit)。JFOM和 KFOM 基本的比较值，因为饱和电子漂移速度在功率器件中的作用并不显著。另外5个则对功率器件性能的估计更加确切，其中QFOM1是最实际的估计了电导损耗，而预计高频率性能则使用BHFOM较为合适。??? 表中列出了部分半导体材料性能和以硅的值为标准的参数优值的相对值，由表中可以看出金刚石、GaN、SiC 都有较高的优值，因此它们材料的性能决定了它们能制作高温高压大功率器件。另外，表中还可以看到4H-SiC的各种优值都比其它类型的SiC大，所以它的优势更加明显。在这些材料中，SiC是最有希望首先取得突破的。因为相对金刚石等材料,SiC的材料和工艺成熟的多，而其器件的性能比Si、GaAs好多个数量级。SiC高的击穿电场使其漂移区的电阻减少200倍，从而使高压FET的导通电压比目前所有的硅功率器件（IGBT、EST、BRT/MCT）都小得多。这些理论预测以被近年来制作一系列高频大功率SiC器件所证实。??? ??? 表1 部分半导体材料性能及其归一化优值 料材 Si Ge GaAs InP GaP GaN 金刚石 3C 6H 4H 11.9 16 12.8 12.4 11.1 9.5 5.5 9.7 9.7 9.7 1.12 0.67 1.42 1.35 2.3 — 5.5 2.3 3.03 3.26 3 1 4 6 7 20 100 40 50 60 1 — 2 2 — 2.5 2.7 2 2.5 2.5 1.5 0.65 0.54 0.67 0.8 1.5 25 3 5 5 1500 3900 8900 5200 350 380 1700 1000 400 600 1.0 — 2.67