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作者:海飞乐技术 时间:2018-08-06 17:26

  碳化硅(SiC)半导体材料是自第一代元素半导体材料(Si、Ge)和第二代化合物半导体材料(GaAs、GaP、InP等)之后发展起来的第三代半导体材料。作为一种宽禁带半导体材料,碳化硅具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、载流子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性良好等特点,可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件,应用于硅器件难以胜任的场合,或在一般应用中产生硅器件难以产生的效果。
 
  1. 碳化硅材料的特点
  SiC材料的一个显著特点是同质多型,制作器件最常用的是4H-SiC和6H-SiC两种。如表1所示,和传统的半导体材料,如Si、GaAs等相比,SiC材料具有更高的热传导率(3~13倍),使得SiC器件可以在高温下长时间稳定工作;更高的临界击穿电场(4~20倍)和更大的载流子饱和速率,有利于提高器件的工作频率。

表1 不同半导体材料的特性对比
不同半导体材料的特性对比 
 
  2. SiC材料制备
  SiC单晶的制备最常用的方法是物理气相传输(PVT),大约占晶圆供应量的90%以上。此外,高温化学气相淀积(CVD)也越来越重要,该方法能产生极低杂质含量的晶锭。同时,这两种方法均可应用于制备SiC外延。20世纪50年代Lely使用两层石墨舟,使外层的坩埚加热到2500℃,SiC透过里层的多空石墨升华进入内层形成晶体。70年代后期,Tairrov和Tsvetkov对Lely法进行了改进,SiC源在石墨舟的底部,底部温度达2200℃,顶部温度较低并放置籽晶,温度梯度为20~40℃/cm,这种方法又称为PVT。
 
  由于SiC单晶的制备难度较大,成本高,因此SiC外延生长在SiC器件技术中举足轻重。对于不同的衬底,生长SiC外延可以分为两种:以SiC为衬底的同质外延生长和以Si和蓝宝石为衬底的异质外延生长。自从较大直径的SiC晶片商业化后,SiC同质外延生长技术发展很快,SiC同质外延生长主要采用以下方法:升华或物理气相传输(PVT)、分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)及化学气相淀积(CVD)。
 
  分子束外延法将原材料进行蒸发并作为分子束进行传输,最后到达经过预热、处于旋转状态的衬底。这种方法可以提供高纯质量、高精准厚度、低温(600~1200℃)的外延层。液相外延是一种相对比较简单而且成本较低的生长方法,生长发生在三相平衡线上,但这种方法对外延层表面形貌难以进行很好地控制,进而限制了LPE的使用。
 
  化学气相淀积法中,衬底放在旋转同时被加热的石墨托盘上,气相的分子束扩散到衬底表面并分解,由衬底表面吸收后与表面反应,形成外延层。这种方法目前是SiC衬底生产的主要外延工艺。
 
  3. SiC功率器件及应用
  SiC功率器件主要包括功率二极管(SBD和PiN等)、单极型功率晶体管(MOSFET、JFET和SIT等)和双极型载流子功率晶体管(BJT和GTO等)。
 
  3.1 功率二极管
  肖特基势垒二极管(SBD)作为一种单极性器件,在导通过程中没有额外载流子注入和储存,因而基本没有反向恢复电流,其关断过程很快,开关损耗很小。由于碳化硅材料的临界雪崩击穿电场强度较高,可以制作出超过1000V的反向击穿电压。在3kV以上的整流器应用领域,由于SiC PiN二极管与Si器件相比具有更快的开关速度、高结温承受能力、高电流密度和更高的功率密度,SiC PiN二极管在电力设备、能量储备、超高压固态电源领域扮演更重要的角色。
 
  3.2 单极型功率晶体管
  碳化硅MOSFET的突出优势体现在:导通电阻小;低电容,开关速度快;驱动电路简单;正温度系数易于并联。因而,应用碳化硅MOSFET能够提高系统的效率,降低散热需求,提高开关频率且增加雪崩强度。这些优势决定了其在太阳能转换器、高压DC/DC变换器和电机驱动等领域中具有广阔的应用。由于SiC MOSFET存在沟道电子迁移率和SiO2层击穿的问题,因此作为没有肖特基接触和MOS界面的单极器件SiC JFET就很有吸引力。SiC JFET有着优良的特性和结构和相对简化的制造工艺。SiC JFET产品分为常开沟道型(normally-on)和常闭沟道型(normally-off)两种,其中常闭沟道型能够与现有的标准栅极驱动芯片相匹配,而常开沟道型则需要负压维持关断状态。SIT(静电感应晶体管),主要用于从超高频到微波频率的大功率放大器和发射器、电源调节设备中的大功率转换。
 
  3.3 双极型载流子功率晶体管
  SiC双极型功率器件BJT因SiC临界雪崩击穿电场强度是Si的10倍,而比Si BJT的二次击穿临界电流密度高100倍,不会有Si BJT那样严峻的二次击穿问题,此外,临界雪崩击穿电场强度高这一材料优势也使SiC BJT在相同的阻断电压下可比Si BJT有较窄的基区和集电区,这对提高电流增益β和开关速度十分有利,SiC BJT主要分为外延发射极和离子注入发射极BJT,典型的电流增益在10~50之间。与碳化硅功率MOS相比,对3kV以上的阻断电压,碳化硅晶闸管的通态电流密度可以提高几个数量级,特别适合高压大电流开关方面的应用。对碳化硅晶闸管的开发主要集中于GTO,目前阻断电压最大的GTO器件,阻断电压为12.7kV。
 
  4. 结束语
  SiC材料的优良特性及SiC功率器件的巨大性能优势,激励着人们不断地研究与开发,随着大尺寸SiC晶圆生长技术和器件制造技术的的发展,SiC功率器件将在民用和军事方面得到更广泛的应用。




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