碳化硅功率器件

1、碳化硅功率器件張玉明張義門西安電子科技大學(xué)微電子所（西安710071）1引言[123]：目前幾乎所以的功率系統(tǒng)中都采用硅器件毫無(wú)疑問成熟的硅工藝技術(shù)是硅器件的最大的優(yōu)勢(shì)。然而硅器件的功率性能將不會(huì)有太大的提高，這是因?yàn)楣杵骷碾娞匦砸呀咏牧衔锢硖匦缘臉O限。首先，硅低的擊穿電場(chǎng)意味著在高壓工作時(shí)需要采用厚的輕摻雜層，這將引起較大的串聯(lián)電阻，特別時(shí)對(duì)單極器件尤其如此。為了減少正向壓降，電流密度必須保持在很低的值，因此硅器件的大電流是通過增

2、加硅片面積來實(shí)現(xiàn)的。在一定的阻斷電壓下，正向壓降由于載流子在輕摻雜區(qū)的存儲(chǔ)而降低，這種效應(yīng)稱為結(jié)高注入的串聯(lián)電阻調(diào)制效應(yīng)。然而存儲(chǔ)電荷的存儲(chǔ)和復(fù)合需要時(shí)間，從而降低了器件的開關(guān)速度，增加了瞬態(tài)功率損耗。硅器件由于小的禁帶寬度而使在較低的溫度下就有較高的本征載流子濃度，高的漏電流會(huì)造成熱擊穿，這限制了器件在高溫環(huán)境和大功率耗散條件下工作。其它限制是硅的熱導(dǎo)率較低。寬禁帶半導(dǎo)體材料，由于有比硅更好的性能，而成為下一代功率器件的候選者，如碳化

3、硅、氮化鎵和金剛石等，它們可能在溫度和阻斷電壓兩方面都突破硅材料性能的限制。一般來說，高的電壓能力是由于材料的擊穿電場(chǎng)隨著禁帶寬度變大而增加，而高溫能力是由于隨著禁帶的增加材料的本征載流子濃度減少而得到。理論上的材料的性能可以由材料的優(yōu)值準(zhǔn)確的估算。這些優(yōu)值都說明寬禁帶材料的性能比常規(guī)的硅器件提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)功率器件而言寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)首先是它具有高的擊穿電場(chǎng)，所以對(duì)相同阻斷電壓，相對(duì)于硅器件需要薄的摻雜濃度高的漂移層，這使大的正向

4、電流成為可能。寬禁帶使在很高的溫度時(shí)本征載流子濃度都可以忽略。另外寬禁帶半導(dǎo)體通常都有高的載流子飽和速度和大的熱導(dǎo)率，適合高頻和大功率應(yīng)用。如碳化硅材料，它至少可以將功率能力提供十倍。限制這些材料發(fā)展的主要問題是沒有理想的單晶材料（除了砷化鎵和幾種碳化硅），且工藝制作十分困難。實(shí)際上，目前僅有碳化硅功率器件最有可能的進(jìn)入商業(yè)化。本文將從材料特性，器件工藝和特性，以及國(guó)內(nèi)發(fā)展情況幾個(gè)方面介紹碳化硅功率器件的現(xiàn)狀。2碳化硅材料的性能優(yōu)勢(shì)[2

5、34]已知有170多種同體異型的碳化硅，但僅有4H和6H兩種碳化硅材料的商用化單晶。4HSiC因?yàn)橛斜?HSiC更高和各相同相的遷移率，所以在許多電性能應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。表1是幾種半導(dǎo)體的性能比較。表中同時(shí)給出了判斷材料參數(shù)對(duì)器件性能的影響的7中優(yōu)值FOM(Figuresofmerit)。JFOM和KFOM基本對(duì)功率器件碳化硅材料最重要的特性是它是間接帶隙半導(dǎo)體，如果材料比較純的話，則具有較長(zhǎng)的復(fù)合壽命(1us)。這種特性允許制作高壓PN

6、結(jié)構(gòu)二極管和PNPN閘流管，直接帶隙半導(dǎo)體如GaN是不能制作這些器件的。4HSiC由于禁帶寬，在摻雜濃度為1016cm3時(shí)本征溫度高達(dá)1650C。寬禁帶的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在500C以下都可以忽略反向漏電流。從而使碳化硅器件可以在高溫下工作而保持較小的反向漏電流，減少了冷卻設(shè)備。高的擊穿電場(chǎng)使相同的擊穿電壓下碳化硅的漂移區(qū)的厚度比硅減少了10倍。減少了少子的存儲(chǔ)和在給定的頻率下開關(guān)損耗。在可以接受的功率損耗下開關(guān)頻率可以增大到50到100K

7、Hz這可以在變換器系統(tǒng)中明顯的減少磁元件的尺寸和重量。最后，封裝中的熱阻抗由于碳化硅大的熱導(dǎo)率而減少，有利于散熱。希望通過使用碳化硅器件使功率系統(tǒng)的尺寸和重量大大減少。目前低電阻率(n型和p型)和半絕緣型的直徑為50mm的4H和6H碳化硅片已商用化，（研究級(jí)為75mm）。采用（hotwallchemicalvapourdeposition(CVD)）方法同質(zhì)外延摻雜為1014cm3厚度為100um的外延層的工藝已經(jīng)成熟，為制造阻斷電壓為

8、10KV的器件打下良好的基礎(chǔ)。襯底和外延層中目前的微管缺陷是碳化硅的一個(gè)主要問題。通過結(jié)的一個(gè)微管缺陷就會(huì)毀壞器件的電壓阻斷能力，因此，對(duì)于大面積器件只有在零缺陷的材料才能制成具有可接受的成品率器件。目前微管缺陷是阻礙商業(yè)化的主要障礙。然而，目前的最新報(bào)道是微管缺陷低于0.3cm2(幾年前是1000cm2)說明目前的碳化硅可以制造幾平方微米的器件。另外一個(gè)問題是碳化硅片外延層的摻雜濃度和厚度的均勻性（典型值是厚度4%std.Dev.摻雜

9、8%std.Dev.）以及各批摻雜濃度的穩(wěn)定性（典型值40％）3碳化硅器件的發(fā)展現(xiàn)狀[156]碳化硅具有相當(dāng)成熟的加工工藝技術(shù)。所有的基本工藝步驟，如摻雜（粒子注入和外延摻雜），刻蝕（等離子體技術(shù)），氧化，肖特基和歐姆接觸等都有許多的報(bào)道。目前存在的主要問題是SiCSiO2界面質(zhì)量很差，這造成低的溝道遷移率和低的跨，實(shí)際器件的結(jié)果顯示6HSiC的性能比4H－SiC好，人們正在尋找4H－SiCMOSFET沒有發(fā)揮它潛在優(yōu)勢(shì)的原因。另一個(gè)問