宽禁带半导体器件材料物理学问题

1、,宽禁带半导体电力电子器件实用化的材料物理学问题,1、整流器件 pn结二极管、肖特基势垒二极管,电力电子器件,2、开关器件 1）双极器件 大功率晶体管、晶闸管（GTO、GCT等） 2）单极器件 功率MOS、JFET（SIT） MESFET，HEMT 3）复合型器件 IGBT，MCT,1、电力电子器件的材料优选因子（品质因子）,电力电子器件对其制造材料的特性要求,2、电力电子器件优选材料的特点,Johnson因子： F1=ETs,Keyes因子： F2=(s/r)1/2,Baliga低频因子： F3= r ET3 或 r Eg3,Baliga高频因子： F4= ET2,热优选因子： QF1= r

2、 ET3= F3,QF2= r ET4= ETQF1=ETF3,宽禁带、高临界雪崩击穿电场强度、高电子饱和漂移速度、高电子迁移率、高热导率,优选原则：高频率、高耐压、大电流、低损耗,比电阻 (m.cm2),阻断电压 (V),4H-SiC,功率 MOS漂移区最小比电阻的理论极限,Si,2H-GaN,电子迁移率(cm2 /Vs) Si: 1350 4H-SiC: 700 2H-GaN: 900 介电常数 Si： 11.8 4H-SiC: 10.3 2H-GaN: 9.5 临界雪崩击穿电场(v/cm) Si: 3105 4H-SiC: 2106 2H-GaN: 3.3106,随着GaN体单晶生长技术

3、的成功开发，特别是200m自支撑衬底HVPE技术的产业化，GaN纵向器件的研发正在顺利展开， p-n 结二极管已经达到直流100 A 脉冲 400 A 的水平, 其反向700 V电压下的漏电流很低。小面积GaN pn二极管的阻断电压已有3.7 kV 和 2.6 kV 的报道. 美国2013年启动了一个名为SWITCHES (Strategies for Wide Bandgap, Inexpensive Transistors for Controlling High-Efficiency Systems)的宽禁带器件计划，其主要目标是研制1200V/100A 的二极管和晶体管，晶体管在VGS

4、 = 15 V的通态比电阻低达3 mcm2 。 Agarwal et al. “Wide Band Gap Semiconductor Technology for Energe Efficiency”, Material Science Forum Vol.858，pp.797-802, (2016),SiC与GaN电力电子器件的应用领域,根据SiC和GaN的材料特性和工艺成本，GaN器件比较适合于200-900V 中压范围内的应用，包括电源、笔记本电脑适配器和微型与10kW以内的串式光伏逆变器等；SiC 功率器件的材料和工艺相对成熟，已有多种类型器件实现了商业化 ，因而更适合于需要900-

5、15000V器件的应用领域，例如大功率组串式光伏逆变器和功率高达数兆瓦的中央光伏逆变器和燃料电池逆变器、电动汽车逆变器和快速充电器、大功率电机驱动, 宽带并网逆变器和潮流控制器等。,除了开关器件本身的低功耗产生巨大的节能效果，其耐高温特性对散热条件的宽松可使装置体积缩小。就电动车辆而言，减重10%就会增加6-7%的节能效益。,应用宽禁带半导体器件的节能效果,使用宽禁带半导体器件可进一步提高电机的用电频率、效率以及功率密度，使电机本身及其驱动器体积大幅度缩小，不但省材，而且节能，据说SiC变速器可节电30- 80% 。,利用SiC逆变器超短的响应时间可以实现电网的灵敏控制和监管、克服Si 器件逆

6、变器在可再生能源并网应用中反应太慢且需要大量储能的缺点，从而促进新能源的利用 。,2010年左右实现商品化，1200V/35A，比电阻80mcm2 ；2015年，6吋线1700/80A产品室温比电阻3.1mcm2 , 175C 6.7mcm2 (VGS=20V), 芯片3.1mm3.1mm，有源区面积0.069 cm2。在 19.5A/700V 时的关断损耗为110 J, 比同等级Si IGBT 少20%。,但是SiC功率MOS的应用推广较慢。原因除价格因素外主要是稳定性和可靠性问题，特别是零栅压下不能有效关断，材料物理方面的原因主要在栅介质方面，表现为：,1）栅介质击穿 2）沟道电子迁移率低

7、 4H-SiC：700-1000 cm2/V.s 17 cm2/V.s Si：1350 cm2/V.s 弱反型750 cm2/V.s，强反型500 cm2/V.s,SiC MOSFETs,改进措施： 1）介质在NO中退火，界面态密度降低一个数量级， 提高到 45cm2/V.s 左右。 2）低损伤注入技术，注入后在SiH4气氛中退火。 3）在C面制造器件，沟道电子迁移率高达127cm2/Vs。 4）结构创新或改良，包括在漂移区采用超结结构。,Purdue,1998,Siemens,1999,Purdue,2001,Cree,Cree,2003,Cree,2004,比电阻 （m cm2）,阻断电压

8、 (V),Silicon,10 kV 123 m cm2 0.650.65 mm2 ID=200mA 2006年器件面积扩大了25倍， 3.263.26 mm2 ID=5A 2008年扩大到8.118.11 mm2 ID=10A，面积扩大6倍，电流只增加2倍,4H-SiC,Cool MOS,SiC-UMOS,漂移区采用电荷补偿结构,对10kV以上的高压应用，SiC功率MOS也会面临通态电阻过高的问题，就像1 kV阻断电压对于硅功率MOS那样。,对15 kV以上的超高压SiC器件，即便采用穿通结构，施主浓度低达21014cm-3的阻断层厚度仍需140 m 以上。,理论计算表明，要做一个耐压20k

9、V的碳化硅功率MOS，其n型外延层的厚度需要超过172m，相应的漂移区最小比电阻会超过245 mcm2。 因此，10kV以上的高压应用是碳化硅IGBT的用武之地。,U,J,无电导调制,RS,充分电导调制,VM,电导调制作用,8.118.11 mm2 4H-SiC DMOS 和IGBT的反向伏安特性,4H-SiC DMOS,4H-SiC IGBT,碳化硅IGBT的研发起步较晚，1999年才报道了一个阻断电压仅有790 V的 p 沟道4H-SiC IGBT，其通态压降很高，在电流密度才75A/cm2时即高达15V。这说明碳化硅IGBT在低压应用中相对于碳化硅功率MOS没有优势。 问题：p沟道 IG

10、BT的源电极接触电阻偏高，n沟道IGBT需要用p型碳化硅材料作衬底，而p+ 碳化硅衬底能做到的最低比电阻往往比MOSFET 的比电阻总值还高。 办法：n 型后外延层从衬底剥离，直接用外延法或离子注入法做低阻P型注入层。,SiC IGBT,n-沟IGBT基本结构,G,n buffer,p+,p+,2015年CREE用自支撑n型厚外延层做成了耐压27000V的n沟 SiC IGBTs。E. Van Brunt et al., Materials Science Forum Vols. 821-823 (2015), pp. 847-850.,实例一： 反向：UB=25 kV，UGE = 0 V，I

11、C=0.4 A； 正向：UF=12.8 V，UGE = 20 V，IC=20 A， 阻断层杂质浓度21014cm-3，厚度240 m，阻止空间电荷区继续扩展的缓冲层1 m 。芯片面积9mm9mm S. Ryu et al., Materials Science Forum Vol. 858 (2016), pp. 945-948,实例二： 反向：UB=6.5 kV，UGE = 0 V，IR=1 A/cm27.9kV； 正向：UF=5.4 V，UGE = 20 V，IC=100 A/cm2， 阻断层杂质浓度31014cm-3，厚度60 m n型衬底研磨去除，全外延工艺， N. Watanabe

12、et al., Materials Science Forum Vol. 858 (2016), pp. 939-944,离子注入形成的P型注入层通态压降偏高，可能与注入损伤的退火残留缺陷有关 S. Chowdhury et al., Materials Science Forum Vol. 858 (2016), pp. 954-957,结束语,晶格缺陷与界面态等材料物理学问题是影响宽禁带半导体器件彰显其材料优势和保持其特性稳定与高可靠性，从而影响其实用化的主要因素。请重视宽禁带半导体缺陷电子学的研究。 开发优质厚外延技术是克服体材料制备困难、满足高性能宽禁带半导体器件对特殊衬底需求的有效途