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碳化硅功率器件 张玉明 张义门 西安电子科技大学微电子所（西安 710071） 1 引言1,2,3： 目前几乎所以的功率系统中都采用硅器件,毫无疑问成熟的硅工艺技术是硅器件的最大的优势。然而硅器件的功率性能将不会有太大的提高，这是因为硅器件的电特性已接近材料物理特性的极限。首先，硅低的击穿电场意味着在高压工作时需要采用厚的轻掺杂层，这将引起较大的串联电阻，特别时对单极器件尤其如此。为了减少正向压降，电流密度必须保持在很低的值，因此硅器件的大电流是通过增加硅片面积来实现的。在一定的阻断电压下，正向压降由于载流子在轻掺杂区的存储而降低，这种效应称为结高注入的串联电阻调制效应。然而存储电荷的存储和复合需要时间，从而降低了器件的开关速度，增加了瞬态功率损耗。硅器件由于小的禁带宽度而使在较低的温度下就有较高的本征载流子浓度，高的漏电流会造成热击穿，这限制了器件在高温环境和大功率耗散条件下工作。其它限制是硅的热导率较低。 宽禁带半导体材料，由于有比硅更好的性能，而成为下一代功率器件的候选者，如碳化硅、氮化镓和金刚石等，它们可能在温度和阻断电压两方面都突破硅材料性能的限制。一般来说，高的电压能力是由于材料的击穿电场随着禁带宽度变大而增加，而高温能力是由于随着禁带的增加材料的本征载流子浓度减少而得到。 理论上的材料的性能可以由材料的优值准确的估算。这些优值都说明宽禁带材料的性能比常规的硅器件提高几个数量级。对功率器件而言宽禁带半导体的优点首先是它具有高的击穿电场，所以对相同阻断电压，相对于硅器件需要薄的掺杂浓度高的漂移层，这使大的正向电流成为可能。宽禁带使在很高的温度时本征载流子浓度都可以忽略。另外宽禁带半导体通常都有高的载流子饱和速度和大的热导率，适合高频和大功率应用。如碳化硅材料，它至少可以将功率能力提供十倍。 限制这些材料发展的主要问题是没有理想的单晶材料（除了砷化镓和几种碳化硅），且工艺制作十分困难。实际上，目前仅有碳化硅功率器件最有可能的进入商业化。本文将从材料特性，器件工艺和特性，以及国内发展情况几个方面介绍碳化硅功率器件的现状。 2 碳化硅材料的性能优势2,3,4 已知有170多种同体异型的碳化硅，但仅有4H和6H两种碳化硅材料的商用化单晶。 4H SiC因为有比6H SiC 更高和各相同相的迁移率，所以在许多电性能应用中具有优势。表1是几种半导体的性能比较。表中同时给出了判断材料参数对器件性能的影响的7中优值FOM(Figures of merit)。JFOM和 KFOM 基本的比较值，因为饱和电子漂移速度在功率器件中的作用并不显著。另外5个则对功率器件性能的估计更加确切，其中QFOM1是最实际的估计了电导损耗，而预计高频率性能则使用BHFOM较为合适。 表中列出了部分半导体材料性能和以硅的值为标准的参数优值的相对值，由表中可以看出金刚石、GaN、SiC 都有较高的优值，因此它们材料的性能决定了它们能制作高温高压大功率器件。另外，表中还可以看到4H-SiC的各种优值都比其它类型的SiC大，所以它的优势更加明显。在这些材料中，SiC是最有希望首先取得突破的。因为相对金刚石等材料,SiC的材料和工艺成熟的多，而其器件的性能比Si、GaAs好多个数量级。SiC高的击穿电场使其漂移区的电阻减少200倍，从而使高压FET的导通电压比目前所有的硅功率器件（IGBT、EST、BRT/MCT）都小得多。这些理论预测以被近年来制作一系列高频大功率SiC器件所证实。 表1 部分半导体材料性能及其归一化优值 料材 Si Ge GaAs InP GaP GaN 金刚石 3C 6H 4H 11.9 16 12.8 12.4 11.1 9.5 5.5 9.7 9.7 9.7 1.12 0.67 1.42 1.35 2.3 5.5 2.3 3.03 3.26 3 1 4 6 7 20 100 40 50 60 1 2 2 2.5 2.7 2 2.5 2.5 1.5 0.65 0.54 0.67 0.8 1.5 25 3 5 5 1500 3900 8900 5200 350 380 1700 1000 400 600 1.0 2.67 4.0 16.67 90.0 26.67 41.7 50.0 1.0 0.49 0.62 1.77 40.28 3.13 5.84 5.84 1.0 0.78 13.03 6.33 1.88 62.03 4.71 4.31 8.04 1.0 0.29 10.55 13.87 1.27 11.26 1259.3 118.5 74.1 160.0 1.0 0.06 5.45 12.91 1.43 59.92 323340 2576 3354 8694.7 1.0 0.002 7.27 25.82 3.43 399.2 34349 55905 1.0 0.13 15.13 28.90 2.76 59.92 19400 1288 1006 2608.4 对功率器件碳化硅材料最重要的特性是它是间接带隙半导体，如果材料比较纯的话，则具有较长的复合寿命(1us)。这种特性允许制作高压PN结构二极管和PNPN闸流管，直接带隙半导体如GaN是不能制作这些器件的。4H-SiC由于禁带宽，在掺杂浓度为1016cm-3时本征温度高达1650C。宽禁带的另外一个优点是在500C以下都可以忽略反向漏电流。从而使碳化硅器件可以在高温下工作而保持较小的反向漏电流，减少了冷却设备。高的击穿电场使相同的击穿电压下碳化硅的漂移区的厚度比硅减少了10倍。减少了少子的存储和在给定的频率下开关损耗。在可以接受的功率损耗下开关频率可以增大到50到100KHz,这可以在变换器系统中明显的减少磁元件的尺寸和重量。最后，封装中的热阻抗由于碳化硅大的热导率而减少，有利于散热。希望通过使用碳化硅器件使功率系统的尺寸和重量大大减少。 目前低电阻率(n型和p型)和半绝缘型的直径为50mm的4H和6H碳化硅片已商用化，（研究级为75mm）。采用（hot wall chemical vapour deposition(CVD)）方法同质外延掺杂为1014cm-3厚度为100um的外延层的工艺已经成熟，为制造阻断电压为10KV的器件打下良好的基础。 衬底和外延层中目前的微管缺陷是碳化硅的一个主要问题。通过结的一个微管缺陷就会毁坏器件的电压阻断能力，因此，对于大面积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。目前微管缺陷是阻碍商业化的主要障碍。然而，目前的最新报道是微管缺陷低于0.3/cm2 (几年前是1000/cm2)说明目前的碳化硅可以制造几平方微米的器件。另外一个问题是碳化硅片外延层的掺杂浓度和厚度的均匀性（典型值是厚度4%std. Dev. 掺杂8% std. Dev.）以及各批掺杂浓度的稳定性（典型值40） 3 碳化硅器件的发展现状1,5,6 碳化硅具有相当成熟的加工工艺技术。所有的基本工艺步骤，如掺杂（粒子注入和外延掺杂），刻蚀（等离子体技术），氧化，肖特基和欧姆接触等都有许多的报道。目前存在的主要问题是SiC-SiO2界面质量很差，这造成低的沟道迁移率和低的跨，实际器件的结果显示6H-SiC 的性能比4HSiC好，人们正在寻找4HSiC MOSFET没有发挥它潜在优势的原因。另一个问题是粒子注入后的退火，人们已经采用各种方法减少粒子注入退火造成的损伤，这种损伤可能使采用粒子注入方法制造的功率器件中沟道迁移率降低几个数量级。除了MOSFETs外,我们还关心PN结和肖特基结的终端技术和钝化方法，以及接触和钝化的高温稳定性等。碳化硅器件要成为商品，还要在这些方面做工作。 已有很多碳化硅器件的实验结果报道，而且许多研究组正在努力研究，实际上，Northrop Grumman 早在1996年就制造了采用碳化硅功率器件的商用系统UHF RF功率放大器。在功率开关器件方面，碳化硅肖特基最成熟，它由于有很好的反相恢复特性而有可能在中等电压（1KV-3KV）代替硅PiN二极管，而且可以和目前的硅IGBTs联合应用。 图1是碳化硅功率MOSFET阻断电压的进展情况，图中仅包括了在当时最高阻断电压的器件，图中的直线表示阻断电压以每年75的速度增。图2 是碳化硅功率MOSFET导通电阻阻断电压的关系。图中左边和右边的直线分别表示硅和碳化硅的理论极限，中间的虚线表示目前碳化硅功率MOSFET的性能。图3 是碳化硅功率器件导通电流和阻断电压的关系。图中给出了碳化硅器件目前的最好性能。 碳化硅功率器件由于具有理想的特性，将使功率转换器的性能得到很大的提高，和硅功率器件相比它的优点如下：(1)碳化硅单载流子器件漂移区薄，开态电阻小。在低击穿电压下（50V）这些器件的开态电阻只为1.12,仅为相同的硅器件的。在高击穿电压(5000V)，开态电阻增加为，比硅器件小倍。由于有小的导通电阻，碳化硅功率器件的正向损耗小，功率转换器件的效率就会提高。（2）碳化硅功率器件由于具有高的击穿电场而具有高的击穿电压。例如，商用的硅肖特基的电压小于300V，而第一个商用的碳化硅肖特基二极管的击穿电压已达到600V。(3)碳化硅有高的热导率，因此碳化硅功率器件有低的结到环境的热阻,这样器件的温度增加很慢。(4)碳化硅器件可工作在高温，碳化硅器件已有工作在600C的报道，而硅器件的最大工作温度仅为150C.(5)碳化硅具有很高的抗辐照能力。(6)碳化硅功率器件的正反向特性随温度和时间的变化很小，可靠性好。(7)碳化硅双极器件具有很好的反向恢复特性，反向恢复电流小，开关损耗小，对缓冲器的依赖小。(8)由于低的开关损耗，碳化硅功率器件可工作在高频（20KHz）. 虽然碳化硅功率器件有很多优点，目前还有一些困难限制它的发展，主要问题有：由于有微管缺陷使工艺成品率低。最好的材料为微管缺陷1/cm2, 但它比典型的10/cm2贵的多；价格贵，600V,4A的碳化硅肖特基二极管约需$50,(相同的硅$1)；商用化的很少，仅有相对电压的肖特基二极管商用化；所需的高温封装技术还不成熟。 从商业化的角度来看，虽然碳化硅的市场是明显的存在的，但其商业率将受到材料技术，特别是成本的限制。目前碳化硅衬垫的成本是硅的100倍。虽然制作等同的性能的器件所需要的碳化硅材料比硅材料要少（约10倍），但这不足于弥补材料本身的费用。另外，相对于市场上的硅功率器件，碳化硅器件的制作工艺费用也高。只有当碳化硅材料和器件的制作费用减少10倍以后，碳化硅器件才能和硅器件相比较。一旦这些条件得到满足，碳化硅器件就可能在中等电压（1KVVbr3KV）得到大规模应用，特别是肖特基二极管和Si IGBT的结合应用。对一些硅器件不能应用的特性领域，如高温，抗辐照等，费用的限制比较少。然而，用相对小的初始市场来维持高的成本将限制碳化硅的发展。 4 国内碳化硅的进展7-16 国内对碳化硅研究还处于起步阶段。近几年中科院半导体所、西安理工大学、中科院上海冶金所、中国科技大学等兄弟单位学在材料和器件方面都开展了一些基础工作。从1994年开始西安电子科技大学在这方面取得了可喜成果： 理论成果：对SiC材料器件中载流子输运特性的研究。(1)系统研究了SiC材料的物理参数的表征，物理参数与温度的关系。这些参数如： SiC的能带参数，本征载流子浓度，载流子浓度，载流子有效质量，载流子迁移率，载流子漂移速度，热导率等。得到一些对器件制造有重意义的结论，提出了SiC材料的载流子冻析效应的多级离化模型,并研究了该效应对器件性能的影响；这方面的研究工作，为后续的研究提供了良好的基础。(2)SiC材料的霍尔测量和分析,测量温度从77K到800K，参数包括：自由载流子浓度，电阻率和电子迁移率。这也是国内首次对半导体材料进行的大温度范围的霍尔测量。在此之前碳化硅的霍尔系数和温度的关系还未见报道。该研究对于进一步的材料和器件方面的研究工作提供了重要实验数据。(3)采用Monte Carlo 方法研究了SiC的载流子输运特性,在分析SiC能带结构和主要散射机构的基础上，建立了准确的色散关系和主要散射机构的几率表达式。采用自恰单粒子Monte Carlo方法（SPMC）模拟了SiC稳态电子输运特性，得到了SiC的电子迁移率随温度，电子漂移速度随电场的变化规律，充分体现了SiC的高温和高场特性。得到了另一些参量如电子能量，动量弛豫时间随温度和电场的变化关系，为开展SiC器件的研究工作提供了重要数据。采用系统Monte Carlo方法（EMC）对SiC中的瞬态输运进行了研究，首次预见到在SiC中的速度过冲效应。(4)SiC器件的温度特性的研究,对SiC-MOSFET，MESFET，JFET的温度特性进行了理论研究，其中包括解析模型和数值模型，并得到了各种参数的变化规律。这些研究表明，SiC具有优良的高温特性，这是硅和砷化镓器件无法相比的。所建立的模型对于进一步的SiC器件和集成电路的设计和研究工作具有重要指导意义。 高温SiC器件的研制。(1) (1997年)16制作出可以用于器件制作的欧姆接触,采用蒸发技术将Ni-Cr(0.8:0.2)在中等掺杂的6H n-SiC上制作了性能优越的欧姆接触，其比接触电阻为8.410-5cm2。这一结果为进一步的器件研制工作打下基础。(2) (1999年)13进行了6H-SiC和4H-SiC肖特基二极管的研制，得到了肖特基二极管,具有较好的整流特性，理想因子为1.23，肖特基势垒高度为1.03eV，开启电压为0.5V。(3) (2000年)11设计和研制了MOSFET，得到了我国第一只6H-MOSFET。测试结果表明，MOSFET具有较好的直流特性，最大跨导为0.36mS/mm，沟道电子迁移率为14cm2/V.s。和国外的九十年代中后期报道水平相当。研究了工艺对栅氧化层质量的影响，用SIMS方法分析了碳，氧，铝，氮，硅等元素在二氧化硅中的分布，为制作良好的氧化层提供了重要实验数据。(4) (2001年)9研制了碳化硅混合Pin/Schottky二极管(MPS),其击穿电压大于600V,导通电流为1000A/cm2 .以上成果为进一步的研究打下了良好的基础。 5 结束语 四十多年来，感谢科学家们的努力工作，硅技术不断的进步，已经基本满足各种应用，目前98的固态器件采用硅材料，研究者不断的在提高硅片质量，器件结构，模型和可靠性等做工作。然而硅器件的性能已到物理极限，不能满足将来的需要。碳化硅由于在耐压、温度和功率密度方面比硅有很大提高，是一种新型的功率半导体技术。目前各种碳化硅功率器件都有研究级的报道，在RF部分已经开始商业化。实际上，碳化硅材料的进展已使部分碳化硅功率器件大面积商业化成为可能。当然，碳化硅技术要完全实现商业化还有许多关键的技术问题需要解决，如材料的质量，Si-SiO2界面的性能，接触的热稳定性以及钝化系统等。 参考文献： 1 J.P.Chante, M.L.Locateli, D.Planson, etal “Silicon Carbide Power Devices”.Semiconductor Conference, 1998. CAS 98 Proceedings. 1998 International , Volume: 1 , 1998 Page(s): 125 -134 vol.1 2 By Anant K. Agarwal, Sita S.Mani, Suresh Seshadre, etal. “SiC Power Devices”.Naval Research Reviews, Vol.51,Number 1/1999, pp.13-25 3 Burak Ozpineci, Leon M. Tolbert, Syed K. Islam, Md. Hasanuzzaman, System Impact of Silicon Carbide Power Devices, Journal of High Speed Electronics, 2002. 4 张玉明,张义门:“SiC功率器件”, 电子科技导报, No.11, 1996,pp24-29 5 6 7 扬林安，张义门，张玉明：“4H-SiC 射频功率MESFET的自热效应分析”，物理学报，Vol.51, No.1, 2002, PP.148152 8 尚也淳，张义门，张玉明：“SiC/SiO2界面粗糙