碳化硅功率器件及應(yīng)用

  碳化硅（SiC）半導(dǎo)體材料是自第一代元素半導(dǎo)體材料（Si、Ge）和第二代化合物半導(dǎo)體材料（GaAs、GaP、InP等）之后發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體材料。作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅具有禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)高、熱導(dǎo)率大、載流子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性良好等特點(diǎn)，可以用來制造各種耐高溫的高頻大功率器件，應(yīng)用于硅器件難以勝任的場合，或在一般應(yīng)用中產(chǎn)生硅器件難以產(chǎn)生的效果。
 
  1. 碳化硅材料的特點(diǎn)
  SiC材料的一個顯著特點(diǎn)是同質(zhì)多型，制作器件最常用的是4H-SiC和6H-SiC兩種。如表1所示，和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，如Si、GaAs等相比，SiC材料具有更高的熱傳導(dǎo)率（3～13倍），使得SiC器件可以在高溫下長時(shí)間穩(wěn)定工作；更高的臨界擊穿電場（4～20倍）和更大的載流子飽和速率，有利于提高器件的工作頻率。

 
  2. SiC材料制備
  SiC單晶的制備最常用的方法是物理氣相傳輸（PVT），大約占晶圓供應(yīng)量的90%以上。此外，高溫化學(xué)氣相淀積（CVD）也越來越重要，該方法能產(chǎn)生極低雜質(zhì)含量的晶錠。同時(shí)，這兩種方法均可應(yīng)用于制備SiC外延。20世紀(jì)50年代Lely使用兩層石墨舟，使外層的坩堝加熱到2500℃，SiC透過里層的多空石墨升華進(jìn)入內(nèi)層形成晶體。70年代后期，Tairrov和Tsvetkov對Lely法進(jìn)行了改進(jìn)，SiC源在石墨舟的底部，底部溫度達(dá)2200℃，頂部溫度較低并放置籽晶，溫度梯度為20~40℃/cm，這種方法又稱為PVT。
 
  由于SiC單晶的制備難度較大，成本高，因此SiC外延生長在SiC器件技術(shù)中舉足輕重。對于不同的襯底，生長SiC外延可以分為兩種：以SiC為襯底的同質(zhì)外延生長和以Si和藍(lán)寶石為襯底的異質(zhì)外延生長。自從較大直徑的SiC晶片商業(yè)化后，SiC同質(zhì)外延生長技術(shù)發(fā)展很快，SiC同質(zhì)外延生長主要采用以下方法：升華或物理氣相傳輸（PVT）、分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）及化學(xué)氣相淀積（CVD）。
 
  分子束外延法將原材料進(jìn)行蒸發(fā)并作為分子束進(jìn)行傳輸，最后到達(dá)經(jīng)過預(yù)熱、處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的襯底。這種方法可以提供高純質(zhì)量、高精準(zhǔn)厚度、低溫（600~1200℃）的外延層。液相外延是一種相對比較簡單而且成本較低的生長方法，生長發(fā)生在三相平衡線上，但這種方法對外延層表面形貌難以進(jìn)行很好地控制，進(jìn)而限制了LPE的使用。
 
  化學(xué)氣相淀積法中，襯底放在旋轉(zhuǎn)同時(shí)被加熱的石墨托盤上，氣相的分子束擴(kuò)散到襯底表面并分解，由襯底表面吸收后與表面反應(yīng)，形成外延層。這種方法目前是SiC襯底生產(chǎn)的主要外延工藝。
 
  3. SiC功率器件及應(yīng)用
  SiC功率器件主要包括功率二極管（SBD和PiN等）、單極型功率晶體管（MOSFET、JFET和SIT等)和雙極型載流子功率晶體管（BJT和GTO等）。
 
  3.1 功率二極管
  肖特基勢壘二極管（SBD）作為一種單極性器件，在導(dǎo)通過程中沒有額外載流子注入和儲存，因而基本沒有反向恢復(fù)電流，其關(guān)斷過程很快，開關(guān)損耗很小。由于碳化硅材料的臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度較高，可以制作出超過1000V的反向擊穿電壓。在3kV以上的整流器應(yīng)用領(lǐng)域，由于SiC PiN二極管與Si器件相比具有更快的開關(guān)速度、高結(jié)溫承受能力、高電流密度和更高的功率密度，SiC PiN二極管在電力設(shè)備、能量儲備、超高壓固態(tài)電源領(lǐng)域扮演更重要的角色。
 
  3.2 單極型功率晶體管
  碳化硅MOSFET的突出優(yōu)勢體現(xiàn)在：導(dǎo)通電阻??；低電容，開關(guān)速度快；驅(qū)動電路簡單；正溫度系數(shù)易于并聯(lián)。因而，應(yīng)用碳化硅MOSFET能夠提高系統(tǒng)的效率，降低散熱需求，提高開關(guān)頻率且增加雪崩強(qiáng)度。這些優(yōu)勢決定了其在太陽能轉(zhuǎn)換器、高壓DC/DC變換器和電機(jī)驅(qū)動等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用。由于SiC MOSFET存在溝道電子遷移率和SiO2層擊穿的問題，因此作為沒有肖特基接觸和MOS界面的單極器件SiC JFET就很有吸引力。SiC JFET有著優(yōu)良的特性和結(jié)構(gòu)和相對簡化的制造工藝。SiC JFET產(chǎn)品分為常開溝道型（normally-on）和常閉溝道型（normally-off）兩種，其中常閉溝道型能夠與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動芯片相匹配，而常開溝道型則需要負(fù)壓維持關(guān)斷狀態(tài)。SIT（靜電感應(yīng)晶體管），主要用于從超高頻到微波頻率的大功率放大器和發(fā)射器、電源調(diào)節(jié)設(shè)備中的大功率轉(zhuǎn)換。
 
  3.3 雙極型載流子功率晶體管
  SiC雙極型功率器件BJT因SiC臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度是Si的10倍，而比Si BJT的二次擊穿臨界電流密度高100倍，不會有Si BJT那樣嚴(yán)峻的二次擊穿問題，此外，臨界雪崩擊穿電場強(qiáng)度高這一材料優(yōu)勢也使SiC BJT在相同的阻斷電壓下可比Si BJT有較窄的基區(qū)和集電區(qū)，這對提高電流增益β和開關(guān)速度十分有利，SiC BJT主要分為外延發(fā)射極和離子注入發(fā)射極BJT，典型的電流增益在10～50之間。與碳化硅功率MOS相比，對3kV以上的阻斷電壓，碳化硅晶閘管的通態(tài)電流密度可以提高幾個數(shù)量級，特別適合高壓大電流開關(guān)方面的應(yīng)用。對碳化硅晶閘管的開發(fā)主要集中于GTO，目前阻斷電壓最大的GTO器件，阻斷電壓為12.7kV。
 
  4. 結(jié)束語
  SiC材料的優(yōu)良特性及SiC功率器件的巨大性能優(yōu)勢，激勵著人們不斷地研究與開發(fā)，隨著大尺寸SiC晶圓生長技術(shù)和器件制造技術(shù)的的發(fā)展，SiC功率器件將在民用和軍事方面得到更廣泛的應(yīng)用。



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