第三代半导体面 SiC 碳化硅 器件及其应用

第三代半导体面-S i C(碳化硅)器件及其应用作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料．特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件．因此，SiC器件和各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来超重要的作用．从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展．在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用．发展迅速．经过近10年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件．以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品．国内的研究所和高校在SiC 材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果．虽然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前SiC器件和电路的性能不够优越．除了SiC材料和器件工艺需要不断提高外．更多的努力应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC 材料的优势方面．1 SiC分立器件的研究现状目前．SiC器件的研究主要以分立器件为主．对于每一种器件结构，共最初的研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC上，而没有进行器件结构的优化．由于SiC的本征氧化层和Si相同，均为SiO2，这意味着大多数Si器件特别是M帕型器件都能够在SiC上制造出来．尽管只是简单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场．SiC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种大批量商业生产的SiC器件．日前高电压SiC肖特基二极管、Si C射频功率晶体管以及SiC MOSFET和MESFET等也已经有商业产品．当然所有这些SiC产品的性能还远没有发挥SiC材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件还有待研究与开发．这种简单的移植往往不能完全发挥SiC材料的优势．即使在SiC器件的一些优势领域．最初制造出来的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比．为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以提高SiC器件的功能和性能．1．1 SiC肖特基二极管肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用．由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟．普渡大学最近制造出了阻断电压高达4．9kV的4H-SiC肖特基二极管，特征导通电阻为43mΩ?c㎡，这是目前SiC肖特基二极管的最高水平．通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金—半肖特基接触边沿处的电场集中．所以提高肖特基二极管阻断电压的主要方法就是采用不同的边沿阻断结构以减弱边沿处的电场集中．最常采用的边沿阻断结构有3种：深槽阻断、介质阻断和pn结阻断．普放大学采用的方法是硼注入pn结阻断结构，所选用的肖特基接触金属有Ni，Ti．2000年4月Cree和Kansai联合研制出一只击穿电压高达12．3kV的SiC整流器，主要采用了新的外延工艺和改进的器件设计．该器件具有很低的导通电阻，正向导通电压只有4.9 V ,电流密度高，可以达到100A／c㎡，是同类Si器件的5倍多.1.2 SiC功率器件由于SIC的击穿电场强度大约为Si的8倍．所以SiC功率器件的特征导通电阻可以做得小到相应Si器件的1/400．常见的功率器件有功率MOSFET、I GBT以及多种MOS控制闸流管等．为了提高器件阻断电压和降低导通电阻，许多优化的器件结构已经被使用．表1给出了已报道的最好的SiC功率MO SFET器件的性能数据Si功率MOSFET的功率优值的理论极限大约为5MW ／㎡．除了横向DM0SFET因为特征导通电阻较高而使得优值较小外，其他SiC功率器件的功率优值均大于Si功率MOSFET器件的理论极限，特别是普渡大学制造的UMOS累积型FET的大功率优值是Si极限值的25倍．1．3 SiC开关器件到目前为止，SzC开关器件，无论是MOSFETs还是半导体闸流管，通常都是采用纵向器件结构，用衬底作为阴极．关态时，电压被一个反偏的pn结阻断．为了获得更高阻断电压，该pn的一边即“漂移区”很厚，而且掺杂浓度要低，所以纵向SiC功率开关器件的阻断电压主要依赖于漂移区的掺杂浓度和厚度．漂移区厚度一定时，不管掺杂浓度如何，总存在一个最大可能的阻断电压．然而至今，所能获得的SiC外延层的厚度最大只有10μm这就决定了最大可能的阻断电压大约为1600V．有效克服这一限制的方法就是改变器件的结构，即采用横向器件结构．普渡大学已经采用横向器件结构制造出了横向DMOSFETs．首先在绝缘4H—SiC讨底上外延n型SiC，然后在外延层上制造器件．显然，横向器件结构的最大阻断电压不受外延层厚度的限制，采用这种结构已经制造出了阻断电压高达2．6kV的LDMOSFETs．然而目前的横向LDMOSFET的特征导通电阻还比较高，这主要是因为当用横向结构代替纵向结构时．所需的器件面积将会增大．如果能够把减小表面电场概念和器件设计结合起来，那么导通电阻能够做得比相应的纵向器件还低．1．4 SiC微波S件SiC的高饱和漂移速度、高击穿场强和高热导率特性使得SiC成为1--10GHz 范围的大功率微波放大器的理想材料．短沟道SiC MESFETs的特征频率已经达到22GHz．最高指荡频率f可以达到50GHz．静电感应晶体管(SITs)在600MHz时功率可以达到470W(功率密度为1．36W／mm)，3GHz时功率为38W(1．2W／mm)．由于SiC的热导率很高(GaAs的]0倍，GaN的3倍)，工作产生的热量可以很快地从衬底散发．通过改进器件结构，SiC SITs的特征频率目前可以达到7GHz．最近普渡大学在半绝缘4H—SiC上制造出了一种亚微米T型栅MESFETs，饱和漏电流为350mA／mm，跨导为20m5／m m，漏击穿电压为120V，最大可获得的射频功率密度为3．2W／mm．1. 5 SiC器件的高温特性SiC器件在300°C以上高温条件下的工作特性也被大量研究，NASA制造的6H—SiC掩埋栅JE2T在600°C高温下表现出很好的低泄漏开关特性．然而，该器件在此高温下只工作了30个小时，器件发生了很小的退化，退化原因是接触金屑的氧化．但是当SiC器件在惰性气体环境中工作，在600°C高温下寿命要长得多．只要改善工艺控制的精确性并解决好接触金属和封装问题，SiC器件的高温寿命就会大大提高.2 SiC集成电路的研究现状与S1C分立器件追求高电压、大功率、高频以及高温特性不同，SiC集成电路的研究目标主要是获得高温数字电路，用于智能功率ICs的控制电路．由于SiC集成电路工作对内部电场很低，所以微管缺陷的影响将大大减弱，这可以从第一片单片SiC集成运算放大器芯片得到验证，实际成品宰远远高于微管缺陷所决定的成品率，因此，基于SiC的成品率模型与Si和CaAs材料是明显不同的．该芯片是基于耗尽型NMOSFET技术．主要是因为反型沟道SiC MOSFETs的有效载流子迁移率太低．为了提高Sic的表面迁移率，就需要对SiC的热氧化工艺进行改进与优化．美国普渡大学在SiC集成电路方面做了大量工作．1992年研制成功厂基于反型沟道6H—SiC NMOSFETs单片数字集成电路．该芯片包含与非门、或非门、同或门、二进制计数器和半加器电路，在25°C到300°C的温度范围内均可正常工作．1995年采用钒注入隔离技术制造出第一个SiC平面MESF ET Ics通过精确控制钒的注入量，可以获得绝缘SiC．在数字逻辑电路中，CMOS电路比NMOS电路具有更大的吸引力．1996年9月制造出第一片6H—SiC CMOS数字集成电路．该器件使用了注入n阶和淀积氧化层，但是由于其他的工艺问题，该芯片中PMOSFETs的阂值电压太高．在1997年3月制造第二代SiC CMOS电路时．采用了注入p阱和热生长氧化层工艺．通过工艺改进得到的PMOSEFTs的阂值电压大约为-4．5v．该芯片上所有的电路都能在室温到300°C范围内很好地工作，采用单一电源供电，电源电压可以为5--15V之间的任意电压．随着衬底圆片质量的提高，将能制造出功能更强和成品率更高的集成电路．然而，当SiC材料和工艺问题基本解决以后，器件和封装的可靠性问题将上升为影响高温SiC集成电路性能的主要因素.3 SiC器件的应用现状SiC器件在高温、高频、大功率、高电压光电子及抗辐照等方面具有巨大的应用潜力．3．1 SiC器件在高温环境中的应用在航空航天和汽车设备中，电子器件经常要在高温下工作，如飞机发动机、汽车发动机、在太阳附近执行任务的航天器以及卫星中的高温设备等．使用通常的Si或者GaAs器件，因为它们不能在很高的温度下工作，所以必须把这些器件放在低温环境中，这里有两种处理方法：一种是把这些器件放在远离高温的地方，然后通过引线和连接器将它们和所需控制的设备连接起来；另一种是把这些器件放在冷却盒中，然后放在高温环境下．很明显，这两种方法都会增加额外的设备，增加了系统的质量，减小了系统可用的空间，使得系统的可靠性变差．如果直接使用可以在高温下工作的器件，将可以消除这些问题．SIC器件可以直接工作在3M—枷Y，而不用对高温环境进行冷却处理．SiC电子产品和传感器能够被安装在炽热的飞机发动机内部和其表面上，在这种极端工作条件下它们仍然能够正常发挥功能，大大减轻了系统总质量并提高可靠性．基于SiC器件的分布控制系统可以消除在传统的电子屏蔽控制系统中所用引线和连接器的90％．这一点极为重要，因为在当今的商用飞机中、引线和连接器问题是在停工检修时最经常遇到的问题．根据美国空军的评估，在F—16战斗机中使用先进的SiC电子产品，将使该飞机的质量减轻几百公斤，工作性能和燃料效率得到提高，工作可靠性更高，维护费用和停工检修期大大减少．同样，SiC电子器件和传感器也可以提高商用喷气客机的性能，据报测对每架客机附加的经济利润可以达到数百万美元．同样，SiC高温电子传感器和电子设备在汽车发动机上的使用将能做到更好的燃烧监控与控制，可以使汽车的燃烧更清洁、效率更高．而且，SiC发动机电子控制系统在125°C以上也能很好地工作，这就减少了发动机隔箱内的引线和连接器的数量，提高汽车控制系统的长期可靠性．现在的商用卫星需要散热器去驱散航天器电子器件所产生的热量，并且需要防护罩来保护航天器电子器件免受空间辐射的影响．由于SiC电子器件不但可以在高温下工作，而且具有很强的抗幅照特性，所以SiC电子器件在航天器上的使用能够减少引线和连接器的数量以及辐射防护罩的大小和质量．如果发射卫星到地球轨道的成本是以质量计，那么使用SiC电子器件减轻的质量可以提高卫星工业的经济性和竞争力．使用高温抗辐照SiC器件的航天器可以用来执行太阳系周围的更具挑战性的任务．将来，当人们在太阳周围和太阳系内行星的表面执行任务时，具有优良高温和抗辐射特性的SiC电子器件将发挥关键性的作用、对于在太阳附近工作的航天器来讲，SiC电子器件的使用可以减少航天器的防护和散热设备，于是在每一个运载工具中可以安装更多的科学仪器．3．2 SiC器件的微波应用SiC器件除了可以在高温下工作以外，还具有很多优良的微波特性。