第三代半導體面SiC碳化硅器件及其應用

1、FX L L I 尸 A I L I I L 尸，C A I第三代半導體面- SiC （碳化硅）器件及其應用作為一種新型的半導體材料，SiC以其優(yōu)良的物理化學特性和電特性成為制造短波長光 電子器件、高溫器件、抗輻照器件和大功率/高額電子器件最重要的半導體材料.特別 是在極端條件和惡劣條件下應用時，SiC器件的特性遠遠超過了 Si器件和GaAs器 件.因此，SiC器件和各類傳感器已逐步成為關鍵器件之一，發(fā)揮著越來超重要的作 用.？從20世紀80年代起，特別是1989年第一種SiC襯底圓片進入市場以來，SiC器件和電 路獲得了快速的發(fā)展.在某些領域，如發(fā)光二極管、高頻大功率和高電壓器件等，SiC

2、器件已經得到較廣泛的商業(yè)應用.發(fā)展迅速.經過近10年的發(fā)展，目前SiC器件工藝 已經可以制造商用器件.以Cree為代表的一批公司已經開始提供SiC器件的商業(yè)產 品.國內的研究所和高校在SiC材料生長和器件制造工藝方面也取得廠可喜的成果.雖 然SiC材料具有非常優(yōu)越的物理化學特性，而且SiC器件工藝也不斷成熟，然而目前Si C器件和電路的性能不夠優(yōu)越.除了 SiC材料和器件工藝需要不斷提高外.更多的努力 應該放在如何通過優(yōu)化S5C器件結構或者提出新型的器件結構以發(fā)揮SiC材料的優(yōu)勢方 面.SiC分立器件的研究現狀？目前.SiC器件的研究主要以分立器件為主.對于每一種器件結構，共最初的研究部是 將

3、相應的Si或者GaAs器件結構簡單地移植到SiC上，而沒有進行器件結構的優(yōu)化.由 于SiC的本征氧化層和Si相同，均為SiO2，這意味著大多數Si器件特別是M帕型器件 都能夠在SiC上制造出來.盡管只是簡單的移植，可是得到的一些器件已經獲得了令人 滿意的結果，而且部分器件已經進入廠市場.SiC光電器件，尤其是藍光發(fā)光二極管在20世紀90年代初期已經進入市場，它是第一種 大批量商業(yè)生產的SiC器件.日前高電壓SiC肖特基二極管、SiC射頻功率晶體管以及 SiC MOSFET和MESFET等也已經有商業(yè)產品.當然所有這些SiC產品的性能還遠沒有發(fā) 揮SiC材料的超強特性，更強功能和性能的SiC器件

4、還有待研究與開發(fā).這種簡單的移 植往往不能完全發(fā)揮SiC材料的優(yōu)勢.即使在SiC器件的一些優(yōu)勢領域.最初制造出來 的SiC器件有些還不能和相應的Si或者CaAs器件的性能相比.？ 為了能夠更好地將SiC材料特性的優(yōu)勢轉化為SiC器件的優(yōu)勢，目前正在研究如何對器 件的制造工藝與器件結構進行優(yōu)化或者開發(fā)新結構和新工藝以提高SiC器件的功能和性 能.1. 1 SiC肖特基二極管？肖特基二極管在高速集成電路、微波技術等許多領域有重要的應用.由于肖特基二極管 的制造工藝相對比較簡單，所以對SiC肖特基二極管的研究較為成熟.普渡大學最近制 造出了阻斷電壓高達4. 9kV的4H-SiC肖特基二極管，特征導通

5、電阻為43mQc/，這 是目前SiC肖特基二極管的最高水平.通常限制肖特基二極管阻斷電壓的主要因素是金一半肖特基接觸邊沿處的電場集中.所 以提高肖特基二極管阻斷電壓的主要方法就是采用不同的邊沿阻斷結構以減弱邊沿處的 電場集中.最常采用的邊沿阻斷結構有3種：深槽阻斷、介質阻斷和pn結阻斷.普放 大學采用的方法是硼注入？結阻斷結構，所選用的肖特基接觸金屬有Ni，Ti. 2000年 4月Cree和Kansai聯合研制出一只擊穿電壓高達12. 3kV的SiC整流器，主要采用了 新的外延工藝和改進的器件設計.該器件具有很低的導通電阻，正向導通電壓只有V, 電流密度高，可以達到100A/c/，是同類Si器

6、件的5倍多.SiC功率器件？由于SIC的擊穿電場強度大約為Si的8倍.所以SiC功率器件的特征導通電阻可以做 得小到相應Si器件的1/400.常見的功率器件有功率MOSFET、IGBT以及多種MOS控制 閘流管等.為了提高器件阻斷電壓和降低導通電阻，許多優(yōu)化的器件結構已經被使 用.表1給出了已報道的最好的SiC功率MOSFET器件的性能數據Si功率MOSFET的功 率優(yōu)值的理論極限大約為5MW /皿.除了橫向DM0SFET因為特征導通電阻較高而使得優(yōu) 值較小外，其他SiC功率器件的功率優(yōu)值均大于Si功率MOSFET器件的理論極限，特別 是普渡大學制造的UMOS累積型FET的大功率優(yōu)值是Si極限

7、值的25倍.1. 3 SiC開關器件到目前為止，SzC開關器件，無論是MOSFETs還是半導體閘流管，通常都是采用縱向器 件結構，用襯底作為陰極.關態(tài)時，電壓被一個反偏的pn結阻斷.為了獲得更高阻斷 電壓，該pn的一邊即“漂移區(qū)”很厚，而且摻雜濃度要低，所以縱向SiC功率開關器 件的阻斷電壓主要依賴于漂移區(qū)的摻雜濃度和厚度.漂移區(qū)厚度一定時，不管摻雜濃度 如何，總存在一個最大可能的阻斷電壓.然而至今，所能獲得的SiC外延層的厚度最大 只有10um這就決定了最大可能的阻斷電壓大約為1600V.有效克服這一限制的方法就 是改變器件的結構，即采用橫向器件結構.普渡大學已經采用橫向器件結構制造出了橫

8、向DMOSFETs.首先在絕緣4HSiC討底上外延n型SiC，然后在外延層上制造器件.顯 然，橫向器件結構的最大阻斷電壓不受外延層厚度的限制，采用這種結構已經制造出了 阻斷電壓高達2. 6kV的LDMOSFETs.然而目前的橫向LDMOSFET的特征導通電阻還比較 高，這主要是因為當用橫向結構代替縱向結構時.所需的器件面積將會增大.如果能夠 把減小表面電場概念和器件設計結合起來，那么導通電阻能夠做得比相應的縱向器件還 低.1. 4 SiC微波S件？SiC的高飽和漂移速度、高擊穿場強和高熱導率特性使得SiC成為1-10GHZ范圍的大功 率微波放大器的理想材料.短溝道SiC MESFETs的特征頻

9、率已經達到22GHz.最高指蕩 頻率f可以達到50GHz.靜電感應晶體管(SITs)在600MHz時功率可以達到470W(功率密 度為1. 36W / mm)，3GHz時功率為38W(1. 2W / mm).由于SiC的熱導率很高(GaAs的0 倍，GaN的3倍)，工作產生的熱量可以很快地從襯底散發(fā).通過改進器件結構，SiC SI Ts的特征頻率目前可以達到7GHz.最近普渡大學在半絕緣4HSiC上制造出了一種亞 微米T型柵MESFETs，飽和漏電流為350mA/mm，跨導為20m5/mm，漏擊穿電壓為120 V，最大可獲得的射頻功率密度為3. 2W / mm.1. 5 SiC器件的高溫特性？

10、SiC器件在300C以上高溫條件下的工作特性也被大量研究，NASA制造的6HSiC掩 埋柵JE2T在600C高溫下表現出很好的低泄漏開關特性.然而，該器件在此高溫下只 工作了 30個小時，器件發(fā)生了很小的退化，退化原因是接觸金屑的氧化.但是當SiC 器件在惰性氣體環(huán)境中工作，在600C高溫下壽命要長得多.只要改善工藝控制的精 確性并解決好接觸金屬和封裝問題，SiC器件的高溫壽命就會大大提高.SiC集成電路的研究現狀？與S1C分立器件追求高電壓、大功率、高頻以及高溫特性不同，SiC集成電路的研究目 標主要是獲得高溫數字電路，用于智能功率ICs的控制電路.由于SiC集成電路工作對 內部電場很低，所

11、以微管缺陷的影響將大大減弱，這可以從第一片單片SiC集成運算放 大器芯片得到驗證，實際成品宰遠遠高于微管缺陷所決定的成品率，因此，基于SiC的 成品率模型與Si和CaAs材料是明顯不同的.該芯片是基于耗盡型NMOSFET技術.主要 是因為反型溝道SiC MOSFETs的有效載流子遷移率太低.為了提高Sic的表面遷移率， 就需要對SiC的熱氧化工藝進行改進與優(yōu)化.？美國普渡大學在SiC集成電路方面做了大量工作.1992年研制成功廠基于反型溝道6H SiC NMOSFETs單片數字集成電路.該芯片包含與非門、或非門、同或門、二進制計數 器和半加器電路，在25C到300C的溫度范圍內均可正常工作.1

12、995年采用釩注入 隔離技術制造出第一個SiC平面MESFET Ics通過精確控制釩的注入量，可以獲得絕緣S iC. ?在數字邏輯電路中，CMOS電路比NMOS電路具有更大的吸引力.1996年9月制造出第一 片6HSiC CMOS數字集成電路.該器件使用了注入口階和淀積氧化層，但是由于其他 的工藝問題，該芯片中PMOSFETs的閡值電壓太高.在1997年3月制造第二代SiC CMOS 電路時.采用了注入？阱和熱生長氧化層工藝.通過工藝改進得到的PMOSEFTs的閡值 電壓大約為-4. 5v.該芯片上所有的電路都能在室溫到300C范圍內很好地工作，采 用單一電源供電，電源電壓可以為5-15V之間

13、的任意電壓.隨著襯底圓片質量的提高，將能制造出功能更強和成品率更高的集成電路.然而，當Si C材料和工藝問題基本解決以后，器件和封裝的可靠性問題將上升為影響高溫SiC集成 電路性能的主要因素.SiC器件的應用現狀？SiC器件在高溫、高頻、大功率、高電壓光電子及抗輻照等方面具有巨大的應用潛力.3. 1 SiC器件在高溫環(huán)境中的應用？在航空航天和汽車設備中，電子器件經常要在高溫下工作，如飛機發(fā)動機、汽車發(fā)動 機、在太陽附近執(zhí)行任務的航天器以及衛(wèi)星中的高溫設備等.使用通常的Si或者GaAs 器件，因為它們不能在很高的溫度下工作，所以必須把這些器件放在低溫環(huán)境中，這里 有兩種處理方法：一種是把這些器件

14、放在遠離高溫的地方，然后通過引線和連接器將它 們和所需控制的設備連接起來；另一種是把這些器件放在冷卻盒中，然后放在高溫環(huán)境 下.很明顯，這兩種方法都會增加額外的設備，增加了系統(tǒng)的質量，減小了系統(tǒng)可用的 空間，使得系統(tǒng)的可靠性變差.如果直接使用可以在高溫下工作的器件，將可以消除這 些問題.SIC器件可以直接工作在3M一枷Y，而不用對高溫環(huán)境進行冷卻處理.？ SiC電子產品和傳感器能夠被安裝在熾熱的飛機發(fā)動機內部和其表面上，在這種極端工 作條件下它們仍然能夠正常發(fā)揮功能，大大減輕了系統(tǒng)總質量并提高可靠性.基于SiC 器件的分布控制系統(tǒng)可以消除在傳統(tǒng)的電子屏蔽控制系統(tǒng)中所用引線和連接器的9 0%.這

15、一點極為重要，因為在當今的商用飛機中、引線和連接器問題是在停工檢修時 最經常遇到的問題.？根據美國空軍的評估，在F16戰(zhàn)斗機中使用先進的SiC電子產品，將使該飛機的質量 減輕幾百公斤，工作性能和燃料效率得到提高，工作可靠性更高，維護費用和停工檢修 期大大減少.同樣，SiC電子器件和傳感器也可以提高商用噴氣客機的性能，據報測對 每架客機附加的經濟利潤可以達到數百萬美元.？同樣，SiC高溫電子傳感器和電子設備在汽車發(fā)動機上的使用將能做到更好的燃燒監(jiān)控 與控制，可以使汽車的燃燒更清潔、效率更高.而且，SiC發(fā)動機電子控制系統(tǒng)在12 5C以上也能很好地工作，這就減少了發(fā)動機隔箱內的引線和連接器的數量，

16、提高汽車 控制系統(tǒng)的長期可靠性.？現在的商用衛(wèi)星需要散熱器去驅散航天器電子器件所產生的熱量，并且需要防護罩來保 護航天器電子器件免受空間輻射的影響.由于SiC電子器件不但可以在高溫下工作，而 且具有很強的抗幅照特性，所以SiC電子器件在航天器上的使用能夠減少引線和連接器 的數量以及輻射防護罩的大小和質量.如果發(fā)射衛(wèi)星到地球軌道的成本是以質量計，那 么使用SiC電子器件減輕的質量可以提高衛(wèi)星工業(yè)的經濟性和競爭力.？使用高溫抗輻照SiC器件的航天器可以用來執(zhí)行太陽系周圍的更具挑戰(zhàn)性的任務.將 來，當人們在太陽周圍和太陽系內行星的表面執(zhí)行任務時，具有優(yōu)良高溫和抗輻射特性 的SiC電子器件將發(fā)揮關鍵性

17、的作用、對于在太陽附近工作的航天器來講，SiC電子器 件的使用可以減少航天器的防護和散熱設備，于是在每一個運載工具中可以安裝更多的 科學儀器.3. 2 SiC器件的微波應用SiC器件除了可以在高溫下工作以外，還具有很多優(yōu)良的微波特性。？關鍵的航空無線電設備依賴于前端射頻接收器探測和放大有用信號以及過濾干擾信號的 能力.隨著無線電波頻譜越來越擁擠，由射頻干涉引起的導航和定位航空設備發(fā)生故障 對飛行安全的威脅越來越大.使用SiC半導體器件將會大大增強射頻接收器電路的抗干 擾能力.與Si混頻器相比，SiC混頻器成功地將Si接收器電路中的射頻干擾減弱到原 來的十分之一.比較Si混頻器電路接收到的信號頻

18、譜和SiC混頻器電路的信號頻譜，能夠很明顯地得 到上述結論.頻語中央的兩個最大值就是所要接收的無線電信號，它包含與航空控制有 關的信息.在圖中有用信號兩邊的那些信號峰值代表不需要的互調失真信號，會對所需 信號的正確探測與編碼產生干擾.SiC二極管混頻器電路降低了這些不需要的干涉峰值 點，使得它們不能被觀察到.這些電路很明顯地提高廠無線電設備的可靠性，甚至在飛 機起飛和降落期間乘客仍然可以便用便攜式電子通訊工具.？SiC微波電子器件能夠工作在高功率密度和高溫條件下，這將大大提高無線通信設備和 雷達的功能勺性能.目前大多數固態(tài)微被通信和雷達電子器件是通過CaAs半導體技術 制造的，然而，軍用飛機所

19、需微被電子器件要在比她的理論極限還高的功率和溫度下工 作，SiC微波電子器件正在被研制用于填補這一空白.除此之外，SLC微波電子器件的 許多性能優(yōu)勢可以應用于“全球通”無線通信.？目前，雷達普通采用全固態(tài)器件和組件，P，L，S，X波段相控陣雷達固態(tài)器件，尤其是 T/R組件開始采用SiC器件.在X波段以下，S6C器件無論在功率、體積、性能等方面 都具有明顯的優(yōu)越性，同時，SiC射頻電路有望在雷達系統(tǒng)、蜂窩電話基站和高清晰度 電視(HDTV)發(fā)射機中被使用.3. 3 SiC智能功率器件在電力系統(tǒng)中的應用先進的SiC功率電子器件能夠提高公用電力系統(tǒng)的效率和可靠性.當前，任一時刻所需 提供的電能應該比實際消耗的電能多大約20%.這些過剩的電力儲存為的是確保電力服 務能夠穩(wěn)定和可靠.以免受到日常負載變化和局部故障的影響.將智能功率器件和電源 陣列結合起來能大大地降低所必需的電能存儲余量，因為這些