宽禁带半导体器件对比

宽禁带半导体功率器件刘海涛陈启秀摘要阐述了宽禁带半导体的主要特性与SiC、金刚石等主要宽禁带半导体功率器件的最新发展动态及其存在的主要问题，并对其未来的发展作出展望。关键词宽禁带半导体功率器件碳化硅金刚石WideBandgapSemiconductorPowerDevicesLiuHaitao,ChenQixiu(InstituteofPowerDevices,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027)AbstractThepaperpresentsthemaincharacteristicsofwidebandgapsemiconductors,andelaboratesthelatestdevelopmentofSiCanddiamondpowerdevices.Atthesametime,thefuturedevelopmentofSiCanddiamondpowerdevicesisforcasted.KeywordsWidebandgapsemiconductorPowerdevicesSiCDiamond1引言由于Si功率器件已日趋其发展的极限，尤其在高频、高温及高功率领域更显示出其局限性，因此开发研制宽带半导体器件已越来越被人们所关注。所谓宽带半导体（WBG)主要是指禁带宽度大于2.2电子伏特的半导体材料，包括Ⅱ—O、Ⅱ—S、Ⅱ—Se、Ⅲ—N、SiC、金刚石以及其他一些化合物半导体材料。这些材料一般均具有较宽的禁带、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率，因此他们比Si及GaAs更适合于制作高温、高频及高功率器件。其中Johnson优值指数（JFOM＝Ec.vs/2π，Ec为临界电场；vs为电子饱和速率）、Keyes优值指数（KFOM＝λ［C.vs/4πε］1/2，其中C为光速；ε为介电常数）和Baliga优值指数（BFOM＝εμEG3,其中EG为禁带宽度，μ为迁移率）分别从功率频率能力、耐热能力及导通功率损耗三方面说明了这一科学事实［1］。表1［2］列出了常见宽带半导体与Si,GaAs的比较。表1宽禁带半导体材料的基本特性材料特性SiGaAsβSiC4H-SiCGaNAlN金刚石禁带宽度／eV1.11.432.23.263.456.25.45电子饱和速率/×107cm.s-11.01.02.22.02.22.7迁移率／cm2.V－1.s－1电子空穴15006008500400100050114050125085022001600击穿电场／×105V.cm－136203010100介电常数11.812.59.79.6～1098.55.5电阻率／Ω.cm10001081501012101010131013热导率／W.cm－1.K－11.50.464.94.91.33.022Johnson优值指数／×1023W－1.Ω－1.s－29.062.5253344101567073856Keyes优值指数／×102W.℃.cm－1.s－113.86.390.3229118444Baliga优值指数（相对于Si而言）220394650815106030002727由表1可知宽禁带半导体具有许多优点：1)WBG具有很高的热导率(尤其是SiC与金刚石),使得它们能够迅速转移所产生的热量，广泛用于高温及高功率领域；2)由于WBG的禁带宽度很大，因此相应器件的漏电流极小，一般比Si半导体器件低10～14个数量级，有利于制作CCD器件及高速存储器；3)WBG具有比普通半导体更低的介电常数及更高的电子饱和速率，使之比Si，GaAs更适合于制作毫米波放大器及微波放大器。除此之外，WBG还具有负的电子亲和势及很高的异质结偏置电势，使得它们特别适合于阴极发射的平板显示器。鉴于近几年SiC与金刚石材料的生长技术及氧化、掺杂、欧姆接触等工艺的成熟，使得SiC与金刚石器件得到了突飞猛进的发展，下面我们将主要评述SiC及金刚石的最新发展。2SiC功率器件近年来SiC功率器件的研究引起了世界科学界的高度重视,尤其是美国、欧洲等发达国家为此投入了大量的资金；同时也涌现出一批新型的SiC功率器件，主要包括LED发光器件、pn结及肖特基整流器件、FET、双极晶体管及晶闸管。2.1SiC二极管整流器件1987年Shiahara等人通过CVD技术研制出第一只6H-SiC二极管,当时的击穿电压在600伏左右。最近L.G.Matus等人又研制出耐压为1000V［6］的高压pn结二极管,他通过CVD技术在6H-SiC衬底上淀积p型、n型6H-SiC而制成这种高耐压的台势二极管。使用的工艺主要有：反应离子刻蚀(RIE)、氧化、欧姆接触。该器件的工作温度可达600℃以上，反向漏电流仅为0.4μA(室温），600℃时为5μA。目前SiCp-i-n二极管的反向恢复时间可达100ns以下，仅为Sip-i-n二极管的1/3左右。但由于SiCpn结的自建电势差较大，为了解决这一问题，人们采用肖特基结来代替pn结,从而大大降低导通压降。一种耐压400V的SiC肖特基整流器［3］在电流密度为100A/cm2时压降仅为1.1V，远低于相应的pn结二极管，而且肖特基整流器具有极短的反向恢复时间，约为10ns,而Sip-i-n二极管的反向恢复时间约为250ns。此外，通过步进控制外延生长技术已成功研制出耐压为1100V以上的6H肖特基整流器［4］。该器件的开态电阻比Si整流器低一个数量级，与温度的关系为Ron-T2.0,而在Si整流器中为Ron-T2.4。如果不采用结终端技术，SiC整流器的耐压一般只能达到理论值的50％～80％左右。因此为了进一步提高耐压值，采用结终端技术是很有必要的。目前一般采取在肖特基边缘自对准注入Ar形成非晶层或在结边缘处注入B+离子形成高阻层，然后进行热处理，这样可使器件的耐压超过1750V。2.2SiCFET器件由于SiC材料具有极高的击穿电场，故在具有相同耐压的情况下，漂移区电阻可减小两个数量级（相对于Si而言)。表2列出了各种击穿电压下Ron比值及漂移区长度比值，由表2可知，当电压超过200V时，SiCMOSFET的导通电阻Ron要比SiMOSFET低两个数量级。因此从理论上讲耐压5000V、导通电阻为0.1Ω.cm2的DMOS功率器件是可以实现的。但是我们必须注意到目前影响SiC器件耐压的关键因素还是栅氧化、掺杂及欧姆接触等工艺的完善及成熟。表2Si与SiC材料制作的MOSFET(不同电压下)Ron比值及漂移区长度比值Rsi,sp／Rsic,spWsi／Wsic电压/V502001000500050200100050006H-SiC92.9198.2305.9355.912.48/1.1681.59/7.69293.6／28.02533.4／51.14H-SiC49.388.8177.4729.412.48／1.6581.59／10.97293.6／39.9533.4／73.4SiCMESFET（如图1）及JFET等高频功率器件也是近几年SiC器件研究的一个重点。在MESFET中通常采用p层来实现隔离，而且采用高阻衬底代替导电衬底可大大提高截止频率。由Charles.E.Weitzel等人研制的栅尺寸为0.7μm×322μm的4HMESFET［5］具有38～42mS/mm的跨导，最大工作频率为12.9GHz。1996年S.Sriram等人在高阻衬底上研制出来的4H-MESFET最大工作频率可达42GHz,功率增益为5.1dB(f=20GHz),击穿电压超过100V；使之在高频应用中具有巨大的潜力。表3给出了目前已经研制出来的最新MESFET的各种参数比较。表3最新MESFET参数比较材料栅长/μmfT/GHzfmax/GHz参照6H-SiC0.51025S.Sriram4H-SiC0.41430.5Allen4H-SiC0.513.242S.Sriram图1基本的SiCMESFET由表3可知，由于近年来采用高阻衬底及亚微米栅技术，使得MESFET的工作频率迅速上升。对于具有同一尺寸的4H-MESFET采用导电衬底及高阻衬底可分别获得fmax=25GHz及fmax＝42GHz的高频功率器件。相应的参数为：LG=0.5μm；沟道掺杂为5×1017cm-3；n+掺杂大于1019cm-3。2.3其它SiC器件除了以上所述的SiC器件以外还有一些其它的SiC器件，如晶闸管器件、双极晶体管器件。相对于MOSFET而言，SiC晶闸管更适合于高电流、高电压及高温条件下工作，而且不需要SiC栅氧化等一系列高难度工艺。理论表明，SiC晶闸管可以在超高压(5～10keV)、超高电流范围内应用。目前K.Xie等人研制出来一种高电流晶闸管，电流密度可达5200mA/cm2，关断时间小于100ns，工作温度可在300℃以上。相对于其它SiC器件而言，SiC双极晶体管的研究比较少一些。SiC双极晶体管的增益比较低，一般为10左右。这主要是由于基区的载流子寿命较短以及扩散系数较低所致，采用异质结(HBT)可适当改善这一问题。目前的SiCHBT的截止频率可达31GHz以上，电流密度可达30000A/cm2,比AlGaAs/GaAs器件的电流能力大2倍以上；即使在450℃时其功率增益仍可达常温时的50％，而AlGaAs/GaAs在此温度下早已失效。3金刚石功率器件金刚石作为一种半导体材料，除了具有最高的硬度以外，它还具有大的禁带宽度、高的击穿电场、低的介电常数以及最高的热导率，其性能远远超过Si及其它宽禁带半导体材料，因此有人预言金刚石半导体器件将成为二十一世纪电子器件的主流。预计到2000年，金刚石的市场贸易额将达到980亿美元,单价将下降到2～4美元/克。虽然金刚石功率器件的发展远远落后于Si器件，但近十年来化学汽相淀积技术的迅速发展为金刚石薄膜器件的进一步发展提供了可能。从技术角度看，金刚石薄膜器件的研究可分为两条途径：一是外延生长掺杂金刚石单晶膜，一般采用同质外延；二是在非金刚石衬底上生长金刚石多晶膜用来制作功率器件，特别是Si及GaAs无法应用的高温、高压以及高频、高功率微波固体器件等。目前人们已成功研制出金刚石薄膜肖特基二极管和场效应晶体管，其水平大致如下：1)最小的欧姆接触电阻为10-7Ω.cm2。2)最大的肖特基二极管整流比为If/Ir=107。3)最大的击穿电场为3×106V/cm。4)对于FET，最大的跨导为0.22mS/mm,漏电流为μA数量级。5)最高的工作温度在350℃以上，最高工作电压为100V。金刚石薄膜肖特基二极管可以制作在天然或合成的单晶金刚石上，也可以制作在同质或异质外延的金刚石膜上。但是一般情况下整流器的串联体电阻比较大，严重影响其整流性能，采用p+衬底可适当改善这一问题。1994年W.Ebert等人研制的p/p+金刚石肖特基二极管［7］在150℃时的串联电阻仅为14Ω，500℃时下降到8Ω，这是当时串联电阻最小的肖特基二极管，±2V时的整流比为105。此外，由于金刚石半导体功率器件一般工作在高温、高压条件下，所以其反向漏电流往往比较大。为了降低反向漏电流，采用高质量的单晶金刚石衬底是很有必要的，因为衬底质量将严重影响反向泄漏电流。由于金刚石的施主掺杂非常困难，因此对FET的研究主要集中在MESFET上。虽然目前已通过CVD方法成功研制出许多场效应管，但是由于工艺的限制，试验结果远低于其理论值。研究表明,采用脉冲沟道掺杂有利于提高器件的跨导与最高工作电压。1995年HiromuShiomi研制出一种脉冲掺杂的p沟道MESFET；1997年德国Ulm大学的A.Vescan又研制出一种脉冲掺杂的新型MESFET（如图2所示）［8］，该器件包括脉冲掺杂沟道，选择生长并重掺杂的欧姆接触区以及用Si形成的源、漏、栅接触。Ib单晶合成金刚石作衬底。同质外延膜用微波汽相化学淀积(MWCVD)制得，该器件的工作电压可达100V。该MESFET是第一只用肖特基栅控制的高温金刚石场效应管，350℃时最大跨导为0.22mS