第三代半导体面SiC碳化硅器件及其应用.docx

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1、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开展.在某些领域,如发光二极管、高频大功率和高 电压器件等,SiC器件已经得到较广泛的商业应用.开展迅速.经过 近10年的 开展，

2、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SiC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升外.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. ISiC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 研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC上,

3、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,而且局部器件 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、Si C 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器件还有待研究与开发.这种简单的移植往往不能完

4、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 提升SiC器件的功能和性能.1. ISiC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比照拟简单,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， 特征导通电阻为43mC7c壮,这是目前SiC肖特基二极

5、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.所以提升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也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pn结阻断结构, 所选用的肖特基接触金属有Ni, Ti. 2000年4月Cee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4.9 V,电流密 度高,可以到达100A/CE,是同类Si器件的5倍多.L2 SiC功率器件由于

6、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. I GBT以及多种MOS限制闸流管等.为了提升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MO SFET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 /9.除了横向DM0SFET由于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极限值的25倍.1. 3 SiC开

7、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IOPm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向 DMOSFETs

8、.首先在绝缘4H-SiC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拟高,这主要是由于当用横向结构代替纵 向结构时.所需的器件面积将会增大.如果能够把减小外表电场概念和器件设 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的特征频率已经到达 22G

9、Hz.最高指荡频率f可以到达50GHz.静电感应晶体管(SrrS)在600MHz时 功率可以到达470W(功率密度为1. 36Wmm), 3GHz时功率 为38W(L 2W mm).由于SiC的热导率很高(GaAS的O倍,GaN的3倍)，工作产生的热量 可以很快地从衬底散发.通过改良器件结构,SiC SITs的特 征频率目前可以到 达7GH乙最近普渡大学在半绝缘4H-SiC上制造出了一 种亚微米T型栅 MESFETs,饱和漏电流为35OmAmm,跨导为20m5 / m m,漏击穿电压为120V, 最大可获得的射频功率密度为3. 2Wmm.2.5 SiC器件的高温特性SiC器件在300以上高温条

10、件下的工作特性也被大量研究，NASA制造的 6H-SiC掩埋栅JE2T在600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600高温 下寿命 要长得多.只要改善工艺限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升.3 SiC集成电路的研究现状与SlC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的限制电路.由 于 SiC集成电路工作对内部电场很低,所以微管缺陷的影响将大大

11、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.主要是由于反型沟道SiC MOSFETs的有效载流子迁移率太低.为了提升Sic的外表迁移率,就需 要对 SiC的热氧化工艺进行改良与优化.美国普渡大学在Sie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6Hsc 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25。C到300。C的温度范围 内均可 正常工作.1995年采用

12、钢注入隔离技术制造出第一个SiC平面MESF ETICS通 过精确限制钮的注入量,可以获得绝缘SiC.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6H-SiC CMOS数字集成电路.该器件使用了注入n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电路吐采用了注入p阱和热生 长氧 化层工艺.通过工艺改良得到的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300。C范围内很好地工作,采用单一电源供, 电源电压可以为5-15V之间的任意电压.随

13、着衬底圆片质量的提升,将能制造出功能更强和成品率更高的集成电路. 然而，当SiC材料和工艺问题根本解决以后，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.4 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. ISiC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，由于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：一种是把这些器件放在远离

14、高温的地方,然后通过引线和连接器将它们和所需限制的设备连接起来；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外表上，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 提升可靠性,基于SiC器件的分布限制系统可以消除在传统的电子屏蔽限制 系统中所用引线和连接器的90%这一点极为

15、重要，由于在当今的商用飞 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F-16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升,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升 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到达数百万美元.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 燃烧监控与限制,可以使汽车的燃烧更清洁、效率更高.而且,SiC发动机电子 限制系统在125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,提

16、升汽车限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本钱是以质量计,那么使用SiC电子器件减轻的质量 可以提升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外表执行任务时,具有优 良 高温和抗辐射特性的SiC电子器件将发挥关键性的

17、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 干扰信号的水平.随着无线电波频谱越来越拥挤，由射频干预引起的导航和定 位航空设备发生故障对飞行平安的威胁越来越大.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水平.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.比拟Si混频器电路接收到的信

18、号频谱和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 含与航空限制有关的信息.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预峰值点,使得它们不能被观察到.这 些电路很明显 地提升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,这将大大提升无线通 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

19、飞机所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、蜂窝基站和高清楚度电视(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升公用电力系统的效率和可靠性.当前,任 时刻所需提供的电

20、能应该比实际消耗的电能多大约20%.这些过剩的电力储存 为的是保证电力效劳能够稳定和可靠.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, 由于这些电路能够探测并立即补偿局部电脉冲.电能存储余量至少可以减少 5%,这将大大节约能源.相同的智能功率技术也可以把现有 辐电线所能传送的 电能提升大约50%.功率半导体器件是智能功率电子技术的关键元件,与Sl功率器件相比,5 iC 功率器件能够阻挡更高的电压,具有更低的寄生电阻和小得多的物理尺寸，所 以响应时间更短.更快的开关速度不但提升了功率系统的转换效率,而且 能够 使用更小的变压器和电容器

21、,大大减小了系统的整体尺寸和质量.而且，SiC的 耐高温特性大大地降低厂冷却需要,而这些冷却设备也是功率转换和传送系统 中的很大一局部.因此,在21世纪,SiC器件有望从本质上提升电力传送效率和 使用效率.4结束语由于SiC半导体技术在过去0年得到了飞速的开展，目前SiC因片的体生长和 外延生长技术已经可以得到应用于商业生产的SiC圆片市场上可以获得3英 寸的SiC圆片,4英寸的圆片生产技术也不断研制成熬.不管是SiC分 立器件还 是集成电路,都已经有了许多实验室产品，而且局部产品已经进入 市场,然而要 进入SiC产品的大规模应用阶段还需做大量的工作.一方面在器件制造过程中 很多工艺步骤还要进行改良与提升,如小区域刻蚀、外表清 洁以及在极端条件下工作的SiC器件的绝缘和互连技术还需要进行深入研究， 除此之外,还有一个迫切需要解决的问题,即如何通过改良和优化器件与电路 的设计去发挥SiC材料的超强性能,随着SiC材料生长、器件制造技术的不断 成熟,会有越来越多的SiC电子产品进入应用领域