第三代半导体面SiC碳化硅器件及其应用.pdf

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1、 第三代半导体面 SiC 碳化硅器件及其应用 Standardization of sany group#QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#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

2、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 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

3、 材料的优势方面 1 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 S iC 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、S

4、iC 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 11 SiC 肖特基二极管?肖特基二极管在高速集成电路、

5、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 49kV 的 4H-SiC 肖特基二极管，特征导通电阻为 43mc，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 pn 结阻断结构，所选用的肖特基接触金属有 Ni，Ti2000 年4 月 Cree 和 Ka

6、nsai 联合研制出一只击穿电压高达 123kV 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 100Ac，是同类 Si 器件的 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 MO

7、SFET 的功率优值的理论极限大约为 5MW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 极限值的 25 倍 13 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

8、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 10m 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 26kV 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

9、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 14 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 136Wmm)，3GHz 时功率为 38W(12Wmm)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，Si

10、C SITs 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 350mAmm，跨导为 20m5mm，漏击穿电压为 120V，最大可获得的射频功率密度为 32Wmm 1.5 SiC 器件的高温特性 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

11、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.2 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

12、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 6HSiC 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1995 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 6HSiC CMOS数字集成电路该器件使用了注入n

13、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 p 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-45v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 SiC 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.3 SiC 器件的应用现状 SiC 器件在高温、高频、大功

14、率、高电压光电子及抗辐照等方面具有巨大的应用潜力 31 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

15、作的器件，将可以消除这些问题SIC 器件可以直接工作在 3M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 90这一点极为重要，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，S

16、iC 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 125C 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

17、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 32 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

18、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

19、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 TR 组件开始采用 S

20、iC 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.33 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

21、术也可以把现有辐电线所能传送的电能提高大约50 功率半导体器件是“智能”功率电子技术的关键元件，与 S1 功率器件相比，5iC 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高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，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部分因此，在 21 世纪，SiC 器件有望从本质上提高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 年得到了飞速的发展，目前 SiC 因片的体生长和外延生长技术已经

22、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，而且部分产品已经进入市场，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进与提高，如小区域刻蚀、表面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，即如何通过改进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