化合物半导体功率器件.doc

化合物半导体功率器件追求无限可能住友电气工业株式会社（SEI） 林秀树1.绪言化合物半导体由两个或多个元素组成，通过不同的组合方式可以形成多种类型的化合物半导体材料。对于由两种以上化合物半导体材料混合构成的超晶格半导体，通过改变其组份的比例可能得到物理参数连续变化的化合物半导体材料。更进一步地，可以通过沉积生长由多种化合物半导体或超晶格半导体形成的多层薄膜，得到无穷多种类的半导体材料，并可借此实现具有多种多样功能和特性的半导体器件。这一点与硅半导体材料完全不同，也正是化合物半导体材料的魅力之所在。半个世纪之前住友公司即开始从事化合物半导体材料的开发，并一直致力于其商业化。主要产品包括通信和消费产品用的GaAs、InP衬底及其外延片。最近正在致力于开发蓝紫色激光（用于蓝光光盘）用的氮化镓衬底并实现其产品化，住友公司正在成为世界上最大的化合物半导体材料综合制造商。在前年本刊发表的“化合物半导体器件追求无限可能（1）”一文中，回顾了住友公司过去四分之一世纪以来在化合物半导体器件方面的努力。进入21世纪以来半导体功率器件的重要性日益增长，本文作为前述文章的续篇（之2），重点叙述了新一代宽禁带半导体功率器件。2半导体功率器件自1948年贝尔实验室发明世界上第一只晶体管以来，60多年间，科学家发明和开发了品类众多的半导体器件并将之付诸于商业化。其应用领域涉及到社会生活方方面面，诸如个人电脑、移动电话、液晶电视等家电产品，混合动力汽车、电车、新干线等运输设备，以及通信设备、医疗器械、重型机械工业等等，领域众多，不胜枚举。半导体器件可大致分为以半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）为代表的发光器件和以晶体管为代表的电子器件。电子器件又可分为以微处理器和各种存储器为代表的集成器件以及用于电力控制的功率器件。功率器件是指二极管、晶体管、晶闸管等用于电力转换或控制的半导体器件，这些器件已成为电力电子的基础。在晶体管尚未发明的1947年以前，人们一直用充汞真空二极管来进行从交流到直流和从直流到交流的电力转换。充汞真空二极管利用的是汞在真空中的放电现象，其可靠性一直是一个问题。1960年前后，具有整流功能的Si二极管实现了商业化，随着其额定电压、电流值的增加，已经被普遍应用于大容量交直流电力转换。1950年前后，人们发现将两个晶体管组合在一起，通过控制基极电流可以保持其处于开通状态，晶闸管由此诞生并被用于低功耗电力控制。此后，借助于硅半导体器件技术的不断进步，二极管、三极管和晶闸管的额定电压和电流值不断增加，其工作特性得到了大幅度的改善。如今功率器件已经广泛应用于电力传输及其分配的电力系统，以新干线为首的各种电气化铁路，包括混合动力汽车、电动汽车和燃料电池车在内的各种电动汽车，以不间断电源（UPS）为主的各种电源，工业机器人等各类交流伺服系统，空调等家用电器以及办公自动化设备等各种领域，其全球市场规模已经达到23万亿日元。功率器件用于电力转换和电力控制，说到电力转换，人们期望把转换过程中的能量损失降到最低，理想的转换效率是100。目前全球所用总能量的几个百分点被消耗在功率器件上，为实现节能社会的目标，低损耗功率器件必不可少。此外，对于电力控制来说，理想的状态是以尽可能小的输入电流来实现无延迟的精确的电力控制。为了满足这两个要求，在技术上一直致力于提升器件高速反复开关的能力。目前正在使用的功率器件主要是硅器件，尽管随着硅技术的进步上述理想已经在很大程度上得到了实现，但是不得不承认的是，作为硅材料的物理性质极限已经迫在眉睫了。在功率器件被反复开关的过程中所损耗的总能量包括：导通状态下的导通电阻损耗，关断状态下的漏电流损耗，以及开关转换过程中电压、电流的过渡损耗。为了减少这些能量损耗，应尽可能减小器件的导通电阻，同时器件最好能够高速工作。为了满足这些条件，最好使用比硅的禁带宽度更大的材料来制作功率器件。人们正在研究和开发利用SiC和GaN等所谓宽禁带半导体材料来制作半导体功率器件。相对于传统的硅功率器件，这些宽禁带半导体功率器件由于其禁带宽度的原因，使得器件在高电压、低功耗、高频率、高温条件下工作成为可能，因此人们对它将成为新一代功率器件寄予厚望。3.宽禁带半导体功率器件3-1宽禁带半导体到目前为止商业化的功率器件，除了很小一部分外，所使用的材料都是半导体硅材料，和集成电路所用的半导体材料相同。作为硅功率器件，已经成功开发了二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等为数众多的器件品种，已经应用于非常广泛的领域，并且其使用数量还在不断地逐年增加。伴随着功率器件使用数量的增加，其消耗的电能也在不断增长。正如前节所述，近年来人们的观点已经从防止全球变暖变成越来越注重节约能源，对于电力电子设备的期望是低损耗、高效率。为了满足上述要求，必须使用比硅禁带宽度更宽的SiC和GaN等宽禁带半导体材料制作功率器件。宽禁带半导体与硅相比具有更宽的禁带宽度，如表1所示，SiC和GaN的禁带宽度大约是硅的3倍多。拥有较宽的禁带宽度，在外加电场作用下不容易发生击穿，SiC和GaN的介电击穿强度大约是硅的10倍。同时，还具有较高的饱和漂移速度和高导热性等良好的物理性能。功率器件的功率损耗主要来自于电流流过导通状态下的电阻（导通电阻）的损耗以及开关转换时的损耗，为了降低功耗，最重要的是要降低导通电阻。功率器件的导通电阻大小依器件的种类不同而不同，被称为有源层（功率器件的电压保持层）的半导体层的电阻占了导通电阻的绝大部分。如果使用SiC材料，由于其介电击穿电场大约是硅的10倍，因此可以将有源层的厚度减小到硅功率器件的1/10。此外，半导体内的电场强度与掺杂浓度的1 / 2次方成正比，因此可以将掺杂浓度调整到与电场强度的2次方成正比的一个值。也就是说，在介电击穿电场为10倍的情况下，可以将掺杂浓度提高到高达100倍。有源层电阻值与其厚度成正比，而与掺杂浓度成反比，因此如果使用SiC材料，其厚度可以做到硅器件的大约1/1000。虽然导通电阻还包括有源层以外的电阻，但是如果使用了介电击穿电场大大提高的SiC等宽禁带半导体材料，功率器件的导通电阻值与硅器件相比可以显著下降，其功耗也必将大幅降低。由于宽禁带半导体的介电击穿电场与硅相比大幅提高，通过优化器件的厚度尺寸，可以实现功率器件的高耐压和低功耗。 表1 各种半导体的物理性质Si4H-SiCGaNAlN金刚石禁带宽度（eV）6.25.5电子迁移率（cm2/Vs）14001020200010902000介电击穿电场（MV/cm）0.33.03.312.08.0饱和漂移速度（cm/s）1.01072.01072.71072.21072.5107热导率（W/cmK）1.55432032碳化硅（SiC）功率器件SiC作为宽禁带半导体材料具有耐高温特性，20世纪50年代曾在全球范围内形成研究开发和大力推广的热潮，然而由于存在高品质单晶生长困难的问题，其后的研究曾经一度停滞不前。然而，在70年代后期，被称为“籽晶升华法”的单晶生长技术首先被俄罗斯人提出，继而在80年代中后期日本又报告了高品质外延生长方法“分步控制外延技术”。借助于这两项重大技术的进展，进入90年代后，SiC功率器件的开发迎来了良好的发展势头。作为SiC功率器件，首先开发的是肖特基势垒二极管，从2001年开始已经正式上市销售。目前研究和开发的对象主要是各种开关晶体管，在国内外都得到了广泛而深入的研究。住友公司以通讯设备、工业设备、各种电源、混合动力汽车以及民用消费电子产品等领域的应用为目标，正在致力于开发能够最大限度地发挥碳化硅性能的RESURF（Reduced Surface Field）型功率器件，包括结型场效应晶体管（JFET）（2）-（6）和MOS场效应晶体管（MOSFET）（7）。结型场效应晶体管（JFET）与MOS场效应晶体管（MOSFET）结构不同，作为其电流通路的沟道部分在半导体内部，因此可以将SiC材料固有的迁移率作为沟道的迁移率，可以说是最充分地发挥了SiC材料物理特性的功率器件。通过器件结构的优化设计，可以得到兼顾了高频率、低功耗、高耐压等优良性能的功率器件，这一点是现有的硅功率器件所望尘莫及的。照片1为RESURF型JFET的显微照片，图1显示了其截面结构。芯片尺寸漏极源极栅极漏极源极栅极照片1 SiC RESURF-JFET显微照片注入层注入层SiC衬底第1外延层第2外延层第3外延层第4外延层栅极栅极源 极源 极漏 极图1SiC RESURF-JFET的截面结构图中的源极与漏极之间为N型沟道，N型沟道被其两侧的P型层夹在中间，其沟道电流由栅极电压进行控制。这种结构对栅极与漏极间的电场强度峰值有抑制作用，同时沟道层中的高浓度载流子降低了沟道电阻，从而使得器件的低阻抗和高耐压得以同时实现。对于沟道长度为1微米的开关器件，其导通和关断时间已经分别达到了3ns。象这样在数百伏的耐压下可以实现高速开关的器件特性，可望用于开关电源以及节能型移动基站的电源。另一方面，对于MOS场效应晶体管（MOSFET），由于可以设计成增强型（Normally off）结构，因此可以实现高耐压和低功耗。但是在目前的情况下，由于MOS界面的不完整性，材料的电子迁移率尚未充分发挥作用。住友公司通过采用特殊的工艺流程，在SiC表面形成了原子级的平坦表面，在这样的表面上形成的MOS结构可以得到较高的电子迁移率。可以预期这种SiC MOSFET能够实现高电压、大电流、低功耗工作，因此有望应用于发电设备和汽车领域，甚至可以替换目前在硅功率器件中用量比较大的IGBT。3-3氮化镓（GaN） 电子器件GaN也属于宽禁带半导体，与SiC具有大致相同的带隙，也具有基本类似的材料特性。与SiC电子器件相比，相同结构的GaN电子器件的导通电阻只有SiC器件的几分之一，因此作为节能型器件而备受期待。作为GaN系器件，首先市场化应用的是白光LED以及蓝紫色激光器等发光器件。由于难以得到用于电子器件的大直径GaN衬底材料，此前一直采用晶格失配的SiC或Si片作为衬底。用于无线通信的PHEMT是以SiC为衬底的GaN电子器件之一，最早由SEDI（Sumitomo Electronic Device Innovation）开发并实现商用化，在市场上处于领先地位。至于所谓的功率器件，以GaN为衬底的GaN器件在性能方面被寄予很高的期望，但是由于还没有办法得到低成本的优质GaN衬底，研究者普遍倾向于在Si衬底上研究开发GaN功率器件。虽然人们期待以低成本的Si作为衬底来实现低成本的GaN功率器件，但是由于衬底与器件工作层的材料完全不同，此类异质结构的器件不适合电流在垂直方向的流动，而且作为衬底材料的Si的热导率也比GaN和SiC低，因此这种方法不适合制作大功率器件，人们正在考虑用其来替换小功率的Si基 MOSFET。住友公司正在致力于研究和开发以GaN为衬底的GaN系电子器件，其高品质GaN衬底也是由本公司研制的。首先，在GaN自支撑衬底上制作了GaN肖特基势垒二极管和PN结二极管。对于GaN肖特基势垒二极管，使用了在GaN衬底上生长的电子迁移率达到930cm2/Vs的高品质n型GaN层，得到了很好的二极管特性，其导通电阻达到0.71m，而耐压达到了1100V（8）。另一方面，对于GaN PN结二极管，通过充分降低的p型GaN层中镁的掺杂浓度，得到了导通电阻为6.3m、耐压达到925V的PN结二极管（9）。对于GaN衬底上的GaN晶体管，住友公司研制了以AlGaN/GaN系二维电子气为沟道的垂直异质结FET（10）。图2显示了此晶体管的截面结构原理图。在器件制作流程中，要将GaN衬底上沉积生成的n 型GaN、p型GaN以及n+GaN层研磨成斜面，然后再进行AlGaN/GaN结构的生长，最后形成欧姆电极和栅电极。对于耗尽型（Normally on）器件，击穿电压达到672V，导通电阻为7.6m。在GaN垂直晶体管中，这是迄今为止报道的最高数值。通过改变AlGaN层的厚度可以控制FET的阈值电压，同时也可以制成增强型工作的器件。图2 GaN衬底上以AlGaN/GaN二维电子气为沟道的垂直异质结FET截面结构原理图。34氮化铝（AlN）系功率晶体管如表1所示，AlN的禁带宽度达到6.2eV，在发光器件方面可以用于紫外发光器件的衬底。在电子器件领域，由于其工作温度可以超过SiC和GaN器件，预期可用于加固型功率器件。然而，与SiC和GaN相比，AlN单晶的生长更加困难，至今尚未得到可以称之为晶片的有一定尺寸的单晶衬底材料（如照片2）。照片2AlN 单晶照片图3GaN沟道HEMT(a,b)和AlGaN沟道HEMT(c,d)的漏极I-V特性图（13）住友公司从上世纪90年代后期开始从事AlN衬底及其外延生长技术的研究与开发（11）（12），自2007年以来一直参与新能源产业技术综合开发机构（以下简称NEDO）的项目开发工作，该项目的合作研究者使用了住友公司研制的衬底及外延片制作的晶体管并对其进行了评价（13）。此器件是在自支撑AlN衬底上制作的第一个HEMT（由Al0.24Ga0.76N沟道层和Al0.51Ga0.49N非掺杂层组成）。在VGS=2V时的最大饱和电流为0.13A/mm，最大gm为25mS/mm。为了进行比较，同时制作了一个以GaN为沟道层的标准结构的HEMT，并对这两种晶体管的温度特性进行了评价。图3显示的是这两种晶体管在室温及300下的I-V特性，图4显示了漏极电流与温度的关系，图5、图6和图7分别显示了导通电阻、栅极漏电流以及阈值电压与温度的关系。从漏极电流与温度的关系曲线可以看出，以AlN为衬底的AlGaN沟道HEMT的漏极电流随温度变化的幅度较小，其变化量相当于标准结构GaN沟道HEMT的大约1/2，这一结果首次表明了以AlN为衬底的器件具有优良的高温性能。图4标准化漏极电流与温度关系曲线（13）図5标准化导通电阻与温度关系曲线（13）图6栅极漏电流与温度关系曲线（13）图7阈值电压与温度关系曲线（13）35金刚石功率器件金刚石是碳元素的单晶形态，虽然不属于化合物半导体，但是作为宽禁带半导体材料，人们对其在功率器件方面的应用寄予了很大期望，故此本文一并加以讨论。金刚石晶体硬度高、强度大，机械性能优良，同时具有很高的热导率，一直以来多用于拉丝模具、精密数控加工工具以及散热器等，目前还没有作为宽禁带半导体材料的实际应用。金刚石作为半导体材料，由于其禁带宽度大而带来的高介质击穿场强以及高热导率是其最大特长，对于功率器件的来说，其性能与其它材料相比具有不可比拟的优势，因此金刚石在功率器件方面的应用被寄予无限期望。金刚石功率器件商品化的最大挑战，不外乎晶体生长技术以及器件工艺技术的复杂性。对于晶体生长而言，必须实现以适当的制造成本获得较大尺寸的杂质和晶体缺陷较少的高品质金刚石单晶。金刚石的合成方法有超高压合成法和气相合成法，作为半导体器件用的衬底材料，气相合成方法较为适用，如等离子体CVD等。工业技术综合研究院一直在研究通过气相合成技术制备金刚石单晶。最近开发成功多项新工艺，如可以得到大尺寸单晶的“重复生长技术”，这是一种改变生长面的气相单晶生长技术。另一项新工艺是将籽晶与片状生长的金刚石进行无损分离的“直接晶片化技术”。这些技术的研制成功，使得制备大尺寸金刚石晶片正在成为现实（14）。采用“直接晶片化技术”制备了多片金刚石单晶薄片，并将这些薄片彼此接合在一起，制成了面积达1平方英寸的大面积的晶片（15）（照片3）。可以说，这一成果表明了制造金刚石器件所必须的大尺寸金刚石衬底实现量产的可能性。照片3金刚石晶片（15）关于金刚石器件，迄今为止正在进行研究和开发的有SAW（声表面波）器件、电子发射器、紫外线LED（发光二极管）、肖特基势垒二极管以及MOSFET（MOS场效应晶体管）等功率器件。SAW器件虽然不是所谓的半导体器件，但为了充分利用在金刚石表面弹性波的传播速度，住友公司开展了GHz高频SAW器件的应用开发研究（16）（17），但目前还未达到实用化。金刚石具有容易发射电子的特性，有可能制成大电流电子发射器，因此在电子束光刻、电子显微镜、电子线照射装置以及电子枪等方面有望得到应用。我们发现掺入高浓度磷杂质的n型金刚石表现出优异的电子发射性能，已经成功地研制出面积为1mm2的器件，其发射出的电流高达1103毫安（18）（照片4）。照片4金刚石电子发射源阵列（5m 点阵）照片5电子源模块作为NEDO的项目之一，由Erionics(音)公司与工业技术综合研究院合作，成功地利用金刚石电子源开发出了4nm线宽的电子束光刻设备，这是目前世界上最窄的电子束光刻线宽（19）。同时，还研制出电子显微镜用的电子枪模块（照片五），并成功地拍摄了放大10万倍的金粒子二维电子图象（照片6）。照片6金刚石电子枪拍摄的放大10万倍的金粒子二维电子图象在功率器件方面，对金刚石肖特基势垒二极管和晶体管进行了研究。肖特基势垒二极管的研究由住友公司与工业技术综合研究院合作开展，最高击穿电场强度达到了3.1MV/cm，这一数值已经超过了SiC器件（20）。金刚石具有很宽的带隙，可以用于制作耐高温器件。工业技术综合研究院用Ru(钌)作为肖特基电极材料，开发出了可以工作在400500二极管（21），关于此二极管的高速开关特性也进行了报道（22）。关于以金刚石作为晶体管材料的研究开始于20世纪90年代。用氢气作过最终处理的金刚石表面会产生空穴堆积层，很多文章对这种以空穴堆积层作为沟道的晶体管进行了报道。早稻田大学报告了一种栅极长度为0.15微米的晶体管，其截止频率高达45GHz（23）。金刚石半导体作为功率器件而言，其性能指标显示出了其他半导体器件远不能及的优势，人们对高温、高压、低功耗金刚石器件寄予了无限期望，而且如前所述，对金刚石二极管以及晶体管的研究也在不断努力之中。然而，要想实现这些器件的实用化，高品质、大尺寸金刚石晶片必不可少，尽管工业技术综合研究院不断取得新的成果，但是预计还需要经过很长的发展阶段。4.结束语使用SiC、GaN以及金刚石等宽禁带半导体材料制作的功率器件，由于其材料的物理特性，与目前市场上广泛应用的硅功率器件相比，具有低功耗、高频率、高击穿电压、高工作温度等优点，因此作为许多细分市场中的新一代功率器件被寄予厚望。对于这些宽禁带半导体功率器件而言，其实现商业化所面临的最大挑战是能否以接近硅功率器件的成本进行生产，而其中最关键的一点是高品质、低成本、大尺寸衬底材料的实现。目前的情况是晶体生长难度大，还不能得到低成本的大尺寸衬底材料。可以预计，谁找到了这一问题的解决方案，谁将成为市场的主导者。为了解决这一难题，住友公司仍在进行各种各样的研究工作。企业的研发人员一旦从事了化合物半导体器件的开发工作，即为其魅力而着迷，夜以继日地为新器件的开发而努力工作。笔者自加入公司以来，也痴迷于化合物半导体之魅力，一直从事化合物半导体器件的研发工作。当前，面向实现节能社会的目标，正在为解决宽禁带半导体的难题而不懈努力。（参考文献略）本原文发表在：（日）2011年1月 SEI 第178号，http:/www.sei.co.jp/tr/pdf/special/sei10650.pdf用語集 1 半導体SiC、GaN、Si 大半導体。次世代用半導体材料期待。 2 MOSFETMetal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor：電界効果（FET）一種、部電極半導体層間酸化物挿入MOS（金属酸化物半導体）構造。LSI 中最一般的使用。 3 IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor ：部MOSFET 付複合。中容量広用。 4 金属半導体接合（接合）生障壁利用。 5 JFETJ unction Gate Field Effect Transistor ： pn 接合生空乏層印加電圧変化、間流電流制御。 6 型電極電圧印加時、間電流流。反対電極電圧印加時電流流、型呼。 7 HEMTHigh Electron Mobility Transistor ：半導体界面生成二次元電子8 用高速。 8 二次元電子半導体界面生成電子二次元的分布状態。 7 HEMT 、二次元電子応用。 9 SAW 固体表面伝搬表面弾性波（SAW: Surface AcousticWave）利用。等実用化。参考文献（1）林秀樹、化合物半導体限可能性求、SEI第173 号、PP14-24（2008）（2）K. 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