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微電子所（西安710071）1引言[123]：目前幾乎所以的功率系統中都采用硅器件毫無疑問成熟的硅工藝技術是硅器件的最大的優勢。然而硅器件的功率性能將不會有太大的提高，這是因為硅器件的電特性已接近材料物理特性的極限。首先，硅低的擊穿電場意味著在高壓工作時需要采用厚的輕摻雜層，這將引起較大的串聯電阻，特別時對單極器件尤其如此。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、加硅片面積來實現的。在一定的阻斷電壓下，正向壓降由于載流子在輕摻雜區的存儲而降低，這種效應稱為結高注入的串聯電阻調制效應。然而存儲電荷的存儲和復合需要時間，從而降低了器件的開關速度，增加了瞬態功率損耗。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，高的漏電流會造成熱擊穿，這限制了器件在高溫環境和大功率耗散條件下工作。其它限制是硅的熱導率較低。寬禁帶半導體材料，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值準確的估算。這些優值都說明寬禁帶材料的性能比常規的硅器件提高幾個數量級。對功率器件而言寬禁帶半導體的優點首先是它具有高的擊穿電場，所以對相同阻斷電壓，相對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本征載流子濃度都可以忽略。另外寬禁帶半導體通常都有高的載流子飽和速度和大的熱導率，適合高頻和大功率應用。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。實際上，目前僅有碳化硅功率器件最有可能的進入商業化。本文將從材料特性，器件工藝和特性，以及國內發展情況幾個方面介紹碳化硅功率器件的現狀。2碳化硅材料的性能優勢[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因為有比6HSiC更高和各相同相的遷移率，所以在許多電性能應用中具有優勢。表1是幾種半導體的性能比較。表中同時給出了判斷材料參數對器件性能的影響的7中優值FOM(Figuresofmerit)。JFOM和KFOM基本對功率器件碳化硅材料最重要的特性是它是間接帶隙半導體，如果材料比較純的話，則具有較長的復合壽命(1us)。這種特性允許制作高壓PN

6、結構二極管和PNPN閘流管，直接帶隙半導體如GaN是不能制作這些器件的。4HSiC由于禁帶寬，在摻雜濃度為1016cm3時本征溫度高達1650C。寬禁帶的另外一個優點是在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，減少了冷卻設備。高的擊穿電場使相同的擊穿電壓下碳化硅的漂移區的厚度比硅減少了10倍。減少了少子的存儲和在給定的頻率下開關損耗。在可以接受的功率損耗下開關頻率可以增大到50到100K

7、Hz這可以在變換器系統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，（研究級為75mm）。采用（hotwallchemicalvapourdeposition(CVD)）方法同質外延摻雜為1014cm3厚度為100um的外延層的工藝已經成熟，為制造阻斷電壓為

8、10KV的器件打下良好的基礎。襯底和外延層中目前的微管缺陷是碳化硅的一個主要問題。通過結的一個微管缺陷就會毀壞器件的電壓阻斷能力，因此，對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化的主要障礙。然而，目前的最新報道是微管缺陷低于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定性（典型值40％）3碳化硅器件的發展現狀[156]碳化硅具有相當成熟的加工工藝技術。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），氧化，肖特基和歐姆接觸等都有許多的報道。目前存在的主要問題是SiCSiO2界面質量很差，這造成低的溝道遷移率和低的跨，實際器件的結果顯示6HSiC的性能比4H－SiC好，人們正在尋找4H－SiCMOSFET沒有發揮它潛在優勢的原因。另一個問