综 述宽禁带半导体功率器件刘海涛　陈启秀(浙江大学信电系功率器件研究所,杭州310027) 摘要　阐述了宽禁带半导体的主要特性与Si C、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W ide Bandgap Sem iconductor Power D ev icesL iu H aitao,Chen Q ix iu(Institu te of P o w er D ev ices,Z hej iang U niversity,H ang z hou310027) Abstract　T he p ap er p resen ts the m ain characteristics of w ide bandgap sem iconduc2 to rs,and elabo rates the latest developm en t of Si C and diam ond pow er devices.A t the sam e ti m e,the fu tu re developm en t of Si C and diam ond pow er devices is fo rcasted.Keywords　W ide bandgap sem iconducto r　Pow er devices　Si C　D iam ond1　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(W B G)主要是指禁带宽度大于212电子伏特的半导体材料,包括 —O、 —S、 —Se、 —N、Si C、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GaA s更适合于制作高温、高频及高功率器件。

其中John son优值指数(JFOM=E c v s 2Π,E c 为临界电场;v s为电子饱和速率)、Keyes优值指数(KFOM=Κ[C v s 4ΠΕ]1 2,其中C为光速;Ε为介电常数)和B aliga优值指数(B FOM=ΕΛE G3,其中E G为禁带宽度,Λ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1[2]列出了常见宽带半导体与Si,GaA s的比较。

由表1可知宽禁带半导体具有许多优点: 1)W B G具有很高的热导率(尤其是Si C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W B G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10～14个数量级,有利于制作CCD器件及高速存储器;3)W B G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,GaA s更适合于制作毫米波放大器及微波放大器。

除此之外,W B G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Si C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Si C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Si C及金刚石的最新发展。

2　Si C功率器件近年来Si C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、欧洲等发达国表1　宽禁带半导体材料的基本特性材料特性Si GaA sΒSi C4H2Si C GaN A l N金刚石禁带宽度 eV1111143212312631456125145电子饱和速率 ×107c m s-1110110212210212217迁移率 c m2 V-1 s-1 电子空穴15006008500400100050114050125085022001600击穿电场 ×105V c m-1362030>10100介电常数11181215917916～109815515电阻率 8 c m1000108150>1012>1010>1013>1013热导率 W c m-1 K-1115014641941911331022 Johnson优值指数 ×1023W-1 8-1 s-29106215253344101567073856 Keyes优值指数 ×102W ℃ c m-1 s-113186139013229118444 Baliga优值指数(相对于Si而言)220394650815106030002727家为此投入了大量的资金;同时也涌现出一批新型的Si C功率器件,主要包括L ED发光器件、p n结及肖特基整流器件、FET、双极晶体管及晶闸管。

211　Si C二极管整流器件1987年Sh iahara等人通过CVD技术研制出第一只6H2Si C二极管,当时的击穿电压在600伏左右。

最近L.G.M atu s等人又研制出耐压为1000V[6]的高压p n结二极管,他通过CVD 技术在6H2Si C衬底上淀积p型、n型6H2Si C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(R IE)、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014ΛA(室温),600℃时为5ΛA。

目前Si C p2 i2n二极管的反向恢复时间可达100n s以下,仅为Si p2i2n二极管的1 3左右。

但由于Si C p n结的自建电势差较大,为了解决这一问题,人们采用肖特基结来代替p n结,从而大大降低导通压降。

一种耐压400V的Si C肖特基整流器[3]在电流密度为100A c m2时压降仅为111V,远低于相应的p n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10n s,而Si p2 i2n二极管的反向恢复时间约为250n s。

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R on2T210,而在Si整流器中为R on2T214。

如果不采用结终端技术,Si C整流器的耐压一般只能达到理论值的50%～80%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。

目前一般采取在肖特基边缘自对准注入A r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。

212　Si C FET器件由于Si C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R on比值及漂移区长度比值,由表2可知,当电压超过200V时,Si C M O SFET的导通电阻R on 要比SiM O SFET低两个数量级。

因此从理论上讲耐压5000V、导通电阻为0118 c m2的DM O S 功率器件是可以实现的。

但是我们必须注意到目前影响Si C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。

Si C M ESFET(如图1)及JFET等高频功率器件也是近几年Si C器件研究的一个重点。

在M ESFET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率。

由Charles.E.W eitzel等人研制的栅尺表2　Si与Si C材料制作的MOSFET(不同电压下)R on比值及漂移区长度比值R si,sp R sic,sp W si W sic电压 V50200100050005020010005000 6H2Si C921919812305193551912148 111681159 716929316 2810253314 5111 4H2Si C49138818177147291412148 116581159 1019729316 391953314 7314寸为017Λm×322Λm的4H M ESFET[5]具有38～42m S mm的跨导,最大工作频率为1219GH z。

1996年S.Sriram等人在高阻衬底上研制出来的4H2M ESFET最大工作频率可达42GH z,功率增益为511dB(f=20GH z),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M ESFET的各种参数比较。

表3　最新M ESFET参数比较材料栅长 Λm f T GH z f m ax GH z参照6H2Si C0151025S.Sriram 4H2Si C014143015A llen4H2Si C015131242S.Sriram 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4H2MESFET采用导电衬底及高阻衬底可分别获得f m ax=25GH z 及f m ax=42GH z的高频功率器件。

相应的参数为:L G=015Λm;沟道掺杂为5×1017c m-3;n+掺杂大于1019c m-3。

213　其它Si C器件除了以上所述的Si C器件以外还有一些其它的Si C器件,如晶闸管器件、双极晶体管器件。

相对于M O SFET而言,Si C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Si C栅氧化等一系列高难度工艺。

理论表明,Si C晶闸管可以在超高压(5～10keV)、超高电流范围内应用。

目前K.X ie等人研制出来一种高电流晶闸管,电流密度可达5200mA c m2,关断时间小于100n s,工作温度可在300℃以上。

相对于其它Si C器件而言,Si C双极晶体管的研究比较少一些。

Si C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(HB T)可适当改善这一问题。

目前的Si C HB T的截止频率可达31GH z以上,电流密度可达30000A c m2,比A lGaA s GaA s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A lGaA s GaA s在此温度下早已失效。

图1　基本的Si C M ESFET图2　脉冲掺杂的金刚石M ESFET3　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2～4美元 克。