（微电子学与固体电子学专业论文）4hsic+bjt功率器件新结构与特性研究.pdf

l 。 1 。一 q n o v e ls t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c ss t u d yf o r m a j o r ： 4 h s i cb j tp o w e rd e v i c e s m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s a d v i s o r ：一 里! = q 圣塾垒塾g i b oi _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 a u t h o r ： 圣塾塑塾g 至o 坠坠翌 j 一 ， 一 j 一 ， 一一一一 ： 独创性声明。 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：0p d 年6 月o 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：嘲导师签名：三喜墓雪b 日期：2 0 lo 年- 易月，p 日 j 。一 p 一 ， p k 、一 、 摘要 摘要 碳化硅( s i c ) 是第三代半导体材料的典型代表，也是目前晶体生长技术和器 件制造水平最成熟、应用最广泛的宽禁带半导体材料之一，是高温、高频、抗辐 照、大功率应用场合下理想的半导体材料。在功率半导体器件领域，具有高功率 和高温可靠性的4 h s i cb j t 器件是极具潜力的竞争者，可以广泛应用于军事及民 用设备的功率电子系统领域。然而s i cb j t 器件低共发射极电流增益增加了器件的 功耗，低击穿电压制约了器件的应用范围，表面陷阱效应退化器件的性能影响了 工作稳定性，制约了其进一步的发展。 本文对4 h s i cb j t 的器件性能进行研究，提出基区场增强埋层结构以提高器 件的电流增益以及外延型结终端结构以提高器件的击穿电压；建立了4 h s i cb j t 界面态分布模型以研究陷阱效应；并进行了4 h s i cb j t 器件电热特性的研究。同 时本文也对4 h s i cs b d 阶梯场板的终端结构和硅基高热稳定性双极b j t - b s i t 组 合器件进行了实验研究。主要创新工作包括： 第一，提出4 h s i cb j t 器件基区埋层新结构。该结构通过基区增加浮空n 埋 层引入新的p n 结，从而在基区内部产生增强的内建电场。在内建电场的作用下， 基区对少数载流子的输运能力得到明显增强，基区复合电流减小，集电极电流提 高，基区输运系数提高，从而电流增益明显提高。同时，n 埋层还可以辅助调制 表面电场，提高器件的击穿电压。数值分析结果表明，通过优化设计埋层的结构， 新结构的最大电流增益相比普通结构提高了1 0 8 ，而且具有较高的击穿电压和较 好的工艺兼容性。 第二，提出4 h s i cb j t 界面态分布模型。在禁带中采用指数函数的界面态分 布模型对4 h s i cb j t 的表面陷阱进行二维数值仿真分析，仿真结果与实验数据能 够很好的吻合。对表面陷阱效应物理机理的研究表明，外部基区表面费米能级的 钉扎导致了表面能带的向下弯曲形成了电子的势阱，从而大量电子在表面被俘获 形成了表面电子复合电流沟道。基区的表面复合电流是基极电流的重要组成部分， 也是引起电流增益退化的重要原因。同时，陷阱效应使器件表面电荷散射增强， 降低了器件的迁移率，导通电阻明显提高。 第三，具有表面电荷调制效应的两类新型终端结构。 1 ) 提出4 h s i cb j t 器件外延型结终端新结构。该结构将常规的离子注入型 摘要 j t e ( j u n c t i o nt e r m i n a t i o ne x t e n s i o n ) 结构用外延的方式来实现，消除了注入结产 生的曲率效应。同时在外延j t e 终端的不同位置注入f f l r s ( f l o a t i n gf i e l dl i m i t i n g r i n g s ) ，平衡了主结边缘和j t e 末端所需的杂质剂量不同的矛盾，使器件表面电 场分布均匀，实现了击穿电压达到1 5 7 0 v 的s i cb j t 。新结构与优化后的常规f f l r s 和j t e 终端结构相比，击穿电压分别提高了3 9 和2 0 。此外，该结构不仅与常 规s i cb j t 工艺相兼容而且可以省去常规工艺中结终端的制作，简化了4 h s i cb j t 的工艺步骤，降低了制作成本。 2 ) 提出4 h s i cs b d 器件阶梯场板新结构。基于国内目前s i c 工艺加工平台， 在常规s i cs b d 场板实验和关键工艺的基础上，设计了阶梯型场板、阶梯型场板 组合j t e 以及槽型阶梯场板组合j t e 的三种新型s i cs b d 场板结构。三种结构通 过刻蚀形成主结与场板末端不同的氧化层厚度，后两种结构增加了j t e 结构辅助 调制表面电荷，使表面峰值电场分布均匀。数值仿真优化后的三种新结构相比实 验获得的最高1 3 0 0 v 击穿电压的普通场板结构，击穿电压分别提高了1 5 、2 3 和9 2 。在仿真分析的基础上，对三种结构进行了工艺流程和器件版图的设计， 并进行了工艺实验。 第四，器件的电热稳定性研究，包括4 h s i cb j t 和硅双极b j t - b s i t ( b i p o l a r s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ) 组合器件。本文对4 h s i cb j t 高、低温工作温度下的 电热特性( 静态和开关特性) 进行了研究。数值仿真结果表明，高温下基区的受 主杂质电离率提高，使发射极注入效率降低，降低了器件的电流增益；电子迁移 率的降低提高了器件的比导通电阻；碰撞电离率的降低提高了器件的击穿电压。 并且高温下器件的开关时间增加，开关损耗显著提高。 同时，本文提出了硅基高热稳定性双极b j t - b s i t 组合器件电热解析模型并进 行了实验研究。首次从理论上建立了一种具有较好电流增益温度系数的双极 b j t - b s i t 组合器件在小电流应用下电流增益的温度模型，提出了b j t - b s i t 组合器 件的最佳温度匹配因子芒，以指导器件的优化设计。流片后的测试表明b j t - b s i t 组合器件的电流增益高温变化率在1 3 6 7 p p m * c 以内，低温变化率在2 0 1 3 p p m 。c 以 内。该结果小于普通硅基b j t 的电流增益变化率7 0 0 0 p p m 。c ，表明b j t - b s i t 组 合器件可以有效地实现温度补偿的效果。 关键词：4 h s i cb j t ，功率器件，结终端，陷阱效应，场板，电流增益，击穿电 压，比导通电阻，b s i t i i “ 、一 、 k - a b s t r a c t 。一 a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) i sa l la t t r a c t i v ew i d eb a n d - g a ps e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lw i t h t h er e l a t i v e l ym a t u r em a t e r i a lg r o w t ha n d d e v i c ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yf o r h i g h - t e m p e r a t u r e ，h i g h f r e q u e n c y , a n t i - i r r a d i a t i o na n dh i g h 。p o w e ra p p l i c a t i o n s i nt h e f i e l do fp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e ，4 h s i cb i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r s ( b j t s ) a r e e m e r g i n ga sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rm i l i t a r ya n dc i v i l i a na p p l i c a t i o n si n t h ep o w e r e l e c t r o n i c ss y s t e mr e t a i n i n gt h ea d v a n t a g e so fh i g hp o w e ra n ds t a b i l i t y i nh i g h t e m p e r a t u r e h o w e v e r , a l t h o u g h t h e s ep e r f o r m a n c e sa r ev e r yp m m l s m g ，t h r e e l i m i t a t i o n sh a v ed i r e c tc o n f i n e m e n to nt h es u s t a i n e dg r o w t ho f 4 h s i cb j t ，t h a ti sl o w c o m m o ne m i t t e rc u r r e n tg a i nt oi n c r e a s et h ep o w e rd i s s i p a t i o n ，l o wb r e a k d o w nv o l t a g e t or e s t r i c tt h ea p p l i e dr a n g e ，a n dt r a p p i n ge f f e c t sd e g e n e r a t i n gt h ep e r f o r m a n c e t oa f f e c t t h ew o r k i n gs t a b i l i t y t h ed i s s e r t a t i o nb e g i n sw i t hi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f4 h - s i cb j t s t w on e w s t r u c t u r e sa r ep r o p o s e d ，w h i c ha r en - t y p eb u r i e dl a y e rs t r u c t u r ei nt h eb a s e t oi m p r o v e t h ec o m m o ne m i t t e rc u r r e n tg a i n ，a n de p i t a x i a lj u n c t i o n t e r m i n a t i o ns t r u c t u r et o i m p r o v et h eb r e a k d o w nv o l t a g e a n dt h ei n t e r f a c es t a t e sd i s t r i b u t i o n m o d e lt os t u d yt h e t r a p p i n ge f l e e th a sb e e nd e v e l o p e d a n dt h ee l e c t r o t h e r m a lp r o p e r t i e so f4 h - s i cb j t h a v eb e e ns t u d i e di nh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r e m e a n w h i l e ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h h a sb e e np r o p o s e d ，w h i c ha r et h ef i l e dp l a t eo f4 h s i cs b da n db j t - b s i to i lt h e s i l i c o ns u b s t r a t ew i t hg o o dt h e r m a ls t a b i l i t yo fc u r r e n tg a i n t l l ed e t a i lc o n t r i b u t i o n so f t h ed i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w i n g s ： 1 n o v e l4 h s i cb j t sw i t hn t y p eb u r i e dl a y e ri nt h eb a s e ：t h ep r o p o s e ds t r u c t u r e i sa t t r i b u t e dt ot h ef a c tt h a tt h ec r e a t i o no f b u i l t - i ne l e c t r i cf i e l dt ob es t r e n g t h e n e db y p - ni u n c t i o nh a sd e c r e a s e dt h em i n o r i t yc a r r i e r st r a n s p o r tt i m ei nt h eb a s e t or e d u c et h e b a s er e c o m b i n a t i o na n dt h e r e b yt h ec o l l e c t o rc u r r e n ti s i n c r e a s e d t h es a m ea st h e c u r r e n tg a i n f u r t h e r m o r e ，t h ec h a r g e si nt h eb u f f e dl a y e rm o d u l a t et h ee l e c t r i c f i e l dt o i n c r e a s et h eb r e a k d o w nv o l t a g e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sh a v ei n d i c a t e dt h a tt h ec u r r e n t g a i ns h o w sa10 8 i n c r e a s ec o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a ls t r u c t u r ew i t ht h ep r o p e r t i e s o f h i g hv o l t a g ea n dp r o c e s sc o m p a t i b i l i t y i i i a b s t r a c t 2 i n t e r f a c es t a t e sd i s t i l b u t i o nm o d e lo f 4 h - s i cb j t s ：t w o - d i m e n s i o n a la n a l y s i so f t h es u r f a c es t a t e se f f e c t sm o d e l e db yt h e e x p o n e n t i a lf u n c t i o nd i s t r i b u t i o n i nt h e f o r b i d d e nb a n df o r4 h s i cb j t ( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ) i ss t u d i e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s a r ew e l l m a t c h e dw i t ht h e s i m u l a t i o n ，w h i c hi sm o d e l e db y e x p o n e n t i a ld i s t r i b u t i o n so ft h ei n t e r f a c es t a t ed e n s i t yr e p l a c i n gt h es i n g l ei n t e r f a c es t a t e t r a p s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h em e c h a n i s mo fc u r r e n tg a i nd e g r a d a t i o n ，w h i c hi s s u r f a c ef e r m il e v e lp i n n i n gl e a d i n gt oas t r o n gd o w n w a r db e n d i n go ft h ee n e r g yb a n d s t of o r mt h ec h a n n e lo fs u r f a c ee l e c t r o nr e c o m b i n a t i o nc u r r e n t m e a n w i l e ，a c c e p t o r - t y p e t r a p s e f f e c th a ss t r e n g t h e n e dt h es u r f a c ec h a r g es c a t t e r i n gt or e d u c et h ee l e c t r o n m o b i l i t ya n dt h u si n c r e a s eo nr e s i s t a n c e 3 b a s e do nt h es u r f a c ec h a r g em o d u l a t i o ne f f e c t ，t w ok i n d so fn o v e lj u n t i o n t e r m i n a t i o ns t r u c t u r e sa r ep r o p o s e d ： ( 1 ) n o v e l4 h s i cb j t sw i t ht h ee p i t a x i a lj u n c t i o nt e r m i n a t i o ns t r u c t u r e ：m p r o p o s e ds t r u c t u r eh a sa c c o m p l i s h e do ft h ee p i t a x i a lj u n c t i o nt e r m i n a t i o ns t r u c t u r et o s u b s t i t u ef a b i r c a t i o nw i t ht h et h ej t e ( j u n c t i o nt e r m i n a t i o ne x t e n s i o n ) b yt h em e t h o d o ft h ei o ni m p l a n t a t i o nt oe l i m i n a t et h ec u r v a t u r ee f f e c t f u r t h e r m o r e ，f f l r s ( f l o a t i n g f i e l dl i m i t i n gr i n g s ) h a v eb e e ni m p l a n t e di nt h ed i f f e r e n tz o n e so fe p i t a x i a lj t et o a c h i e v et h ed i f f e r e n ti m p u r i t yl e v e la tt h ee d g eo fm a i nj u n c t i o na n dj t et op r o v i d ea u n i f o r md i s t r i b u t i o no fs u r f a c ee l e c t r i cf i e l d t h eb r e a k d o w nv o l t a g eo ft h ep r o p o s e d s t r u c t u r ec a nb ea c h i e v e d15 7 0 vc o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a lf f l r si n c r e a s e3 9 ，t o t h ec o n v e n t i o n a lj t ei n c r e a s e2 0 f u r t h e r m o r e ，t h en o v e ls t r u c t u r ei sn o to n l y c o m p a t i b l ew i mt h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s so f4 h - s i cb j tb u ta l s os a v i n gt h ec o m m o n j u n c t i o nt e r m i n a t i o np r o c e s st or e a l i z et h ep r o c e s ss t e p ss i m p l i f i e da n df a b r i c a t i o nc o s t r e d u c e d ( 2 ) n o v e l4 h s i c s b d sw i t h s t e p f i e l d p l a t e ( f p ) s t r u c t u r e ：b a s e d o nt h e f a b r i c a t i o no fc o n v e n t i o n a lf p4 h s i cs b d s ，n o v e ls t e pf p , c o m b i n a t i o no fs t e pf pa n d j t e ，c o m b i n a t i o no fg r o o v es t e pf pa n dj t ea r ep r o p o s e d t h et h r e en o v e ls t r u c t u r e s h a v eb e e ne t c h e dt of o r md i f f e r e n to x i d et h i c k n e s sa tt h ee d g eo fm a i nj u n c t i o na n d f i e l dp l a t e t h el a t e rt w os t r u c t u r e sm a k et h eu n i f o r ms u r f a c ep e a kf i e l db yt h em e t h o d o fa s s i s t e dj t e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so p t i m i z a t e ds h o wt h a tt h r e es t r u c t u r e sc a n i n c r e a s eb r e a k d o w nv o l t a g eb y15 ，2 3 a n d9 2 ，c o m p a r e dt ot h ec o m m o nf p s t r u c t u r ew h i c hh i g h e s tb r e a k d o w nv o l t a g ei s13 0 0 vi nt h ee x p e r i m e n t b a s e do n i v 一 j p d ， p t - 一 k ， v a b s t r a c t s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h r e e s t r u c t u r e s ，p r o c e s sd e s i g n ，d e v i c el a y o u ta n dp r o c e s s e x p e r i m e n th a v eb e e nc a r r i e do u t 4 e l e c t r o t h e r m a lp r o p e r i t i e sa n de x p e r i m e n t s t u d yf o r4 h s i cb j ta n ds i b j t - b s i t ( b i p o l a r s t a t i ci n d u c t i o n t r a n s i s t o r ) ：t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e st h e e l e c t r o t h e r m a lp r o p e r i t i e s ( s t a t i ca n ds w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c s ) o f4 h s i cb j to nt h e l l i 曲a n dl o wt e m p e r a t u r ew o r kc o n d i t i o n s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e i o n i z a t i o nr a t eo fa c c e p t o ri m p u r i t ya tt h eb a s er e g i o ne n h a n c e dt or e d u c et h ee m i t t e r i n j e c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h ec u r r e n tg a i n ，t h ed e g e n e r a t e de l e c t r o nm o b i l i t yc a r li m p r o v e t h eo n - r e s i s t a n c e , a n dt h ed e g e n e r a t e di m p a c ti o n i z a t i o nr a t ec a ni n c r e a s e dt h ed e v i c e b r e a k d o w nv o l t a g e t h i si s s u es h o w st h a t4 h s i cb j t ss w i t c h i n gt i m ea n ds w i t c h i n g l o s ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e si nh i 曲t e m p e r a t u r e f i n a l l y , t h i sd i s s e r t a t i o na l s op r o p o s e sa l le l e c t r o t h e r m a la n a l y t i c a lm o d e la n d m a k e sa ne x p e r i m e n t a ls t u d yf o rt h eb j t - b s i tc o m p o u n dd e v i c ei nt h el o wc u r r e n t o p e r a t i o nf i r s t l y ab e s tt h e r m a lc o m p e n s a t i n gf a c t o rt h a ti n d i c a t e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et h e r m a lv a r i a t i o no fc u r r e n tg a i na n dd e v i c es t r u c t u r ei sp r o p o s e d t h i si s i m p o r t a n tf o rt h ed e s i g no fc o m p o u n dd e v i c et ob eo p t i m i z e d f u r t h e r m o r e ，t h em o d e li s f o u n dt ob ei ng o o da g r e e m e n tw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e t e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e r m a lv a r i a t i o no fc u r r e n tg a i ni sb e l o w1 3 6 7 p p r n * ci n h i 曲t e m p e r a t u r ea n db e l o w2 0 13 p p m 。ci nl o wt e m p e r a t u r e ，w h i c hi sl e s st h a n 7 0 0 0 p p m * co f s i l i c o nb j tt or e a l i z et h ee f f e c t i v et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n k e yw o r d s ：4 h s i cb j t , p o w e rd e v i c e ，j u n c t i o nt e r m i n a t i o nt e c h o n o l o g y , t r a p p i n g e f f e c t s ，c u r r e n tg a i n ，b r e a k d o w nv o l t a g e ，s p e c i f i co nr e s i s t a n c e ，b s i t v o p - 、 叶 毛 目录 第一章绪论 目录 s i c 材料物理特性2 4 h s i c 功率半导体器件发展现状5 1 2 14 h s i c 功率整流器。7 1 2 24 h s i c 功率开关器件9 4 h s i cb j t 的研究现状和存在的问题1 1 1 3 1 研究现状1 1 1 3 2 存在的问题1 3 1 3 2 1提高s i cb j t 的器件性能1 3 1 3 2 2s i cb j t 性能退化效应14 本文的主要工作16 第二章4 h s i cb j t 器件新结构 2 1 引言1 9 2 2b j t 的基本电学特性19 2 2 1电流增益。2 0 2 2 2 击穿电压2 1 2 2 3电导调制效应2 2 2 2 4 比导通电阻2 3 2 3 4 h s i c 数值分析的物理模型及参数2 4 2 3 1 迁移率模型2 4 2 3 2 禁带宽度模型2 5 2 3 3 杂质不完全离化模型。2 6 2 3 4 碰撞电离模型2 7 2 3 5 s h o c k l e y - r e a d h a l l 模型2 8 2 44 h s i cb j t 基区埋层结构特性分析2 9 2 4 14 h s i cb j t 器件新结构简介2 9 2 4 2 场增强型基区埋层器件结构与工作原理3 0 2 4 3 性能分析与讨论3 1 2 3 4 1 l ，l 1l 目录 2 4 4 工艺流程。3 5 2 54 h s i cb j t 外延型结终端结构特性分析3 6 2 5 1 4 h s i cb j t 结终端技术简介3 6 2 5 2 新型外延型终端器件结构与关键工艺流程3 7 2 5 3 器件工作原理3 8 2 5 4 器件性能分析与讨论。3 9 2 64 h s i cs b d 场板结构实验研究4 1 2 6 1s i cs b d 终端技术简介4 2 2 6 2s i cs b d 器件工艺流程4 3 2 6 2 1 基本工艺流程4 3 2 6 2 ，2 欧姆接触工艺4 3 2 6 2 3i c p 刻蚀工艺4 5 2 6 3s i cs b d 金属场板实验研究4 6 2 6 4s i cs b d 新型场板结构4 9 2 6 5s i cs b d 新型场板结构实验方案5 2 2 7 本章小结5 3 第三章4 h s i cb j t 器件表面陷阱效应5 5 3 1引言5 5 3 2s i cb j t 器件性能退化效应5 5 3 3 界面态分布模型5 8 3 4 表面陷阱对s i cb j t 器件性能的影响6 1 3 4 1电流增益6 1 3 4 2 比导通电阻和击穿电压6 5 3 5 本章小结6 8 第四章4 h - s i cb j t 电热特性研究6 9 4 1引言6 9 4 24 h s i cb j t 器件电热特性研究7 0 4 2 1 s i cb j t 静态工作下的电热特性7 0 4 2 1 1电流增益7 0 4 2 1 2 比导通电阻和击穿电压7 2 4 2 2s i cb j t 动态工作下的电热特性7 5 4 2 2 1开态时间及开态损耗7 7 v i l 目录 4 2 2 2 关态时问及关态损耗8 0 4 3s i 基b j t - b s i t 电热特性研究8 0 4 3 1器件结构与工作原理8 1 4 3 1 1 器件结构8 1 4 3 1 2 工作原理8 2 4 3 2b j t - b s i t 组合器件电流增益热模型8 3 4 3 3 组合器件电流增益热模型数值分析8 6 4 3 4b j t - b s i t 组合器件实验与分析8 8 4 3 4 1版图设计8 8 4 3 4 2 工艺实现9 0 4 3 4 3 实验结果分析9 l 4 4 本章小结9 3 第五章结论和展望 5 1 结 沧9 4 5 2 下一步工作9 6 致谢9 7 参考文献9 8 攻博期间取得的研究成果1 0 9 v i i i 一 一 第一章绪论 第一章绪论 功率半导体器件也称为电力电子器件，是电力电子技术中用来进行高效电能 变换、功率控制与处理，以及实现能量调节的核心器件。其应用涵盖了计算机、 消费类电子、电气自动化中的功率变换设备和远距离高压电力传输设备等与功率 和能量处理相关的各方面。越来越重要的节能环保的要求使得人类需要更高功率 处理能力和效率的功率半导体器件。 一直以来，硅基功率半导体器件因为很好的材料生长性能和成熟的器件制造 技术在功率系统中获得广泛的应用并占据主要地位。随着2 0 世纪5 0 年代晶闸管 的问世和应用，电力电子技术开始了从以电子管为基础到以半导体器件为基础的 转变。从2 0 世纪7 0 年代起，具有可关断功能的电流控制型器件( 如功率b j t ( x 2 极型晶体管) 、g t o ( 门级关断) 晶闸管) 和电压控制型器件( 如s i t ( 静电感应 晶体管) 、功率m o s f e t ( 金属一氧化物一半导体场效应晶体管) 、i g b t ( 绝缘栅 双极型晶体管) ) 开始陆续问世和应用。 经过5 0 多年的发展，硅工艺的长足进步已使硅基功率半导体器件的性能在很 多方面都逼近了它的理论极限，继续通过器件原理的创新、结构的改善及制造工 艺的进步来提高其总体性能，已没有太大发展空间。特别因为硅材料固有的局限 性，例如窄的禁带宽度，低的热导率和低的临界击穿电场，使得硅功率半导体器 件不适合应用在高电压、大电流和耐高温的大功率应用领域。为了实现更大的、 突破性的提高，只能从器件的制造材料上寻找出路。 近十年来，以碳化硅( s i c ) 和氮化镓( g a n ) 为代表的宽禁带半导体材料， 是继以硅( s i ) 和砷化镓( g a a s ) 为代表的第一代、第二代半导体材料之后，迅 速发展起来的新型半导体材料。s i c 基半导体材料具有宽带隙、高电子饱和漂移 速度、高热导率、耐高压、耐高温、抗辐射等突出优点，特别适合制作大功率、 高频、高温半导体器件。自从9 0