综 述
宽禁带半导体功率器件
刘海涛 陈启秀
(浙江大学信电系功率器件研究所,杭州310027)
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
WideBandgapSemLiuHiu
(Instituteofev,ZiangU,angzhou310027)
Abstracttscharacteristicsofwidebandgapsemiconduc2
.AtthetothedevelopmentofSiCanddiamondpowerdevices
sameetheturedevelopmentofSiCanddiamondpowerdevicesisforcasted.
Keywords Widebandgapsemiconductor Powerdevices SiC Diamond
1 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212电子伏特的半导体材料,包括 —O、 —S、 —Se、 —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
2
指数(KFOM=Κ[C vs 4Π,其中C为光速;Ε]1
Ε为介电常数)和Baliga优值指数(BFOM=
3
ΕΛEG,其中EG为禁带宽度,Λ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。
半导体技术1999年4月第24卷第2期
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Si
C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。
2 SiC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
1
表1 宽禁带半导体材料的基本特性
材料特性禁带宽度 eV
电子饱和速率 ×107cm s-1
Si[***********]1000
1
21
GaAs[***********][***********]
ΒSiC
[***********][**************]0
4H2SiC[***********]～10>[1**********]229GaN[1**********]850>109>[1**********]0AlN612
金刚石
[***********]
迁移率 cm2 V-1 s-1 电子
空穴
击穿电场 ×105V cm-介电常数电阻率 8 cm热导率 W cm-1 K-1
815>1013310
515>[1**********]444
[1**********]20
×1023W-1 8-1 s-Johnson优值指数
×102W ℃ cm-1 s-Keyes优值指数
Baliga优值指数(相对于Si而言)
2727
家为此投入了大量的资金;新型的SiC功率器件,件、pn211 SiC1987年Shiahara等人通过CVD技术研制
Si,与温度的关on2210,而在Si整流器中为Ron2T214。
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。212 SiCFET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0118 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。
SiCMESFET(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
半导体技术1999年4月第24卷第2期
出第一只6H2SiC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6H2SiC衬底上淀积p型、n型6H2SiC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014Λ目前SiCp2A(室温),600℃时为5ΛA。
i2n二极管的反向恢复时间可达100ns以下,仅为Sip2i2n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]
2
在电流密度为100A cm时压降仅为111V,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Sip2
此外,通i2n二极管的反向恢复时间约为250ns。
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2
表2 Si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,sp
Wsi W
sic
电压 V
6H2SiC4H2SiC
5092194913
[1**********]8
[1**********]714
[1**********]914
5012148 111612148 1165
20081159 716981159 10197
100029316 2810229316 3919
500053314 511153314 7314
[5]
寸为017Λm×322Λm的4HMESFET具有38～42mS mm的跨导,最大工作频率为
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
2
可达30000A cm,比AlGaAs GaAs器件的电流能力大2倍以上;即使在,s GaAs在此1219GHz。1996年S.Sriram等人在高阻衬底上
研制出来的4H2MESFET最大工作频率可达42GHz,功率增益为511dB(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
6H2SiC4H2SiC4H2SiC
栅长 Λm
014015
fT GHfmS.AllenS.Sriram
141312
25301542
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4H2M
ESFET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
17-3+为:LG=015Λm;沟道掺杂为5×10cm;n
图1 基本的SiCMESFET
掺杂大于1019cm-3。213 其它Si
C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
2
cm,关断时间小于100ns,工作温度可在300℃
图2 脉冲掺杂的金刚石MESFET
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
3
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
半导体技术1999年4月第24卷第2期
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10-78 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3×106Vm。4)对于FET,mSFET;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。同质外延Ib单晶合成金刚石作衬底。
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0122mS mm,是目前跨导
最高的金刚石场效应管。
由于MESFET中存在与沟道平行的寄生导电沟道,MESFET,。此外,的高温特性。
,金刚石薄膜器件的发展主要存在以下问题:
1)由于不能进行有效的n型掺杂,不能制作pn结,这严重限制了金刚石的使用和开发。除了制作无源器件以外,只能制作肖特基二极管及场效应管。
2)金刚石掺杂唯一可用的B受主激活能比较大(约为370meV),甚至在高温时也不能完全激活,因此跨导较低及漏极电流较小,不利于器件工作。
3)由于金刚石是共价键半导体,有与金属无关的势垒;而且由于金刚石表面难以形成重掺杂。因此难以形成良好的欧姆接触。尽管目前金刚石功率器件的发展存在一些问题,但总的看来,金刚石器件是一种在高压、高温领域具有强大生命力的新器件。随着各种CVD技术的发展和完善,以及n型掺杂、异质外延和半导体器件设计、封状技术的成熟,金刚石器件在下一世纪初将得到巨大的发展,同时也将使超大规模及超高速集成电路的发展进入一个崭新的时代。
漏电流为ΛA5)350,最高工作电压为V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.
+[7]Ebert等人研制的p p金刚石肖特基二极管
在150℃时的串联电阻仅为148,500℃时下降到88,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,因此对虽然目FET的研究主要集中在MESFET上。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MES24
4 结 论
随着半导体功率器件的进一步发展及其工
(下转第8页)
半导体技术1999年4月第24卷第2期
自己车灯照明范围外的物体也看得很清楚。试验表明,这种摄象机是最好用的,有点像后视反射境一样,当需要夜视时看一眼就行了。飞机的辅助设备:如果飞行员和机场管理人员配用夜视辅助设备使商用飞机在能见度降低的情况下能维持正常的飞行时间表,就可获得显著的经济效益。在例如飞机着陆、滑行和飞行控制态势方面把红外摄象机用作飞机辅助设备的评估测试目前正在进行之中。
系统监视器:用无线电测量的非接触红外摄象机,在合适的温度下可对金属、建筑物、工业机器及其加工进行监视。由于测辐射热计的波段宽、敏感范围和动态范围大、线性度高,因而特别适用于无线电测量。
公共事务:许多公共事务如警察、安全索、救援、当然,,要对(上接第4页)
其未来的商业应用作出准确的预测是困难的,这如同20年前电子工程师对微处理器的未来作预测一样。但笔者坚信,随着技术的进步,测辐射热计列阵将实现高性能和低价格,必将在未来消费市场发挥重要作用。
参 考 文 献
1 高国龙译.美国新计划将支持室温焦平面列阵发展,红外,
1996;11;37
2 KreiderJ,HowardPetal.Uncooledinfraredarrayssense
imagescenes.LaserFocusWorld,1997;(8):1393 WoodRA,FossNA.Micromachinedbolometerarrays
achievelow2costimaging.LaserFocusWorld,1997;(6):101
4 TanakaAatsumo,etal.Infraredfocal
incocompatible.
,11):1844
5M,ereniakEL.Uncooledinfraredsensorper2rmance.SPIE,1993;2020:363
6 WoodRA.Uncooledthermalimagingwithmonolithicsili2confocalplanes.SPIE,1993;2020:322
(收稿日期 19980124)
13(10):501～503
4 TsunenoobuK,TatsuoU,SotaKetal.High2voltageSiC
schottkybarrierdiodewithlowon2resistence.IEEEEDL,1993;14(12):548～550
5 WeitzelCE,PalmourJW,CalvinHetal.
4H2SiC
MESFETπswith218W mmpowerdensityat1186GHz.
作温度、工作电压、工作频率的升高,Si功率
器件已经显示出其局限性,因此开发研究以金刚石为代表的宽禁带半导体器件已越来SiC、
越被人们所关注。本文在此阐述了宽禁带半导体材料的基本性质与SiC、金刚石半导体功率器件的最新发展动态及其存在的一些困难。虽然这些宽禁带半导体器件的发展远远落后于Si器件,但是我们相信,SiC、金刚石等宽禁带半导体器件必将成为二十一世纪电子器件及集成电路的主流,它们将改变以Si为基础的微电子产业结构,同时也将给社会各领域尤其是电子领域带来一场规模浩大的技术变革。
参 考 文 献
1 BaligaBJ.Powersemiconductordevicesfigureofmeritfor
highfrequencyapplication.IEEEEDL1989;10(10):455
～408IEEEEDL,1995;15(10):406
6 MatusLG,PowellJA.High2voltage6H2SiCjunction
～1772diode.ApplPhysLett,1991;59(14):1770
7 EbertW,Vescan.A,BorstTHetal.Highcurrentp p+
diamondschottkydiode.,IEEEEDL,1994;15(8):289
～291
8 VescanA,GlucheP,EbertWetal.High2temperature,
high2voltageoperationofpulse2dopeddiammondMES2FET.
～224IEEEEDL,1997;18(5):222
(收稿日期 19980511)
刘海涛 男,1996年毕业于浙江大学信电系微电子专业,现于该校攻读博士学位。主要研究方向为功率器件新结构及智能功率集成电路的研究。
陈启秀 男,教授,博导,1956年毕业于浙江大学电机工程系;曾在浙江大学电机系、信电系(原无线电系)任教,现任浙江大学功率器件研究所所长。主要从事半导体器件物理与工艺、双极与场控功率器件以及智能功率集成电路的研究。
半导体技术1999年4月第24卷第2期
～457
2 YoderMN.Widebandgapsemiconductormaterialsand
devices.
～1635IEEETransED,1996;43(10):1633
3 BahatnagerM,MeLaartyPK,Baliga.Siliconcarbidehigh2voltage(400V)schottkybarrierdiode.IEEEEDL,1995;
8
综 述
宽禁带半导体功率器件
刘海涛 陈启秀
(浙江大学信电系功率器件研究所,杭州310027)
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
WideBandgapSemLiuHiu
(Instituteofev,ZiangU,angzhou310027)
Abstracttscharacteristicsofwidebandgapsemiconduc2
.AtthetothedevelopmentofSiCanddiamondpowerdevices
sameetheturedevelopmentofSiCanddiamondpowerdevicesisforcasted.
Keywords Widebandgapsemiconductor Powerdevices SiC Diamond
1 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212电子伏特的半导体材料,包括 —O、 —S、 —Se、 —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
2
指数(KFOM=Κ[C vs 4Π,其中C为光速;Ε]1
Ε为介电常数)和Baliga优值指数(BFOM=
3
ΕΛEG,其中EG为禁带宽度,Λ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。
半导体技术1999年4月第24卷第2期
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Si
C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。
2 SiC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
1
表1 宽禁带半导体材料的基本特性
材料特性禁带宽度 eV
电子饱和速率 ×107cm s-1
Si[***********]1000
1
21
GaAs[***********][***********]
ΒSiC
[***********][**************]0
4H2SiC[***********]～10>[1**********]229GaN[1**********]850>109>[1**********]0AlN612
金刚石
[***********]
迁移率 cm2 V-1 s-1 电子
空穴
击穿电场 ×105V cm-介电常数电阻率 8 cm热导率 W cm-1 K-1
815>1013310
515>[1**********]444
[1**********]20
×1023W-1 8-1 s-Johnson优值指数
×102W ℃ cm-1 s-Keyes优值指数
Baliga优值指数(相对于Si而言)
2727
家为此投入了大量的资金;新型的SiC功率器件,件、pn211 SiC1987年Shiahara等人通过CVD技术研制
Si,与温度的关on2210,而在Si整流器中为Ron2T214。
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。212 SiCFET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0118 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。
SiCMESFET(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
半导体技术1999年4月第24卷第2期
出第一只6H2SiC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6H2SiC衬底上淀积p型、n型6H2SiC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014Λ目前SiCp2A(室温),600℃时为5ΛA。
i2n二极管的反向恢复时间可达100ns以下,仅为Sip2i2n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]
2
在电流密度为100A cm时压降仅为111V,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Sip2
此外,通i2n二极管的反向恢复时间约为250ns。
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2
表2 Si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,sp
Wsi W
sic
电压 V
6H2SiC4H2SiC
5092194913
[1**********]8
[1**********]714
[1**********]914
5012148 111612148 1165
20081159 716981159 10197
100029316 2810229316 3919
500053314 511153314 7314
[5]
寸为017Λm×322Λm的4HMESFET具有38～42mS mm的跨导,最大工作频率为
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
2
可达30000A cm,比AlGaAs GaAs器件的电流能力大2倍以上;即使在,s GaAs在此1219GHz。1996年S.Sriram等人在高阻衬底上
研制出来的4H2MESFET最大工作频率可达42GHz,功率增益为511dB(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
6H2SiC4H2SiC4H2SiC
栅长 Λm
014015
fT GHfmS.AllenS.Sriram
141312
25301542
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4H2M
ESFET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
17-3+为:LG=015Λm;沟道掺杂为5×10cm;n
图1 基本的SiCMESFET
掺杂大于1019cm-3。213 其它Si
C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
2
cm,关断时间小于100ns,工作温度可在300℃
图2 脉冲掺杂的金刚石MESFET
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
3
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
半导体技术1999年4月第24卷第2期
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10-78 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3×106Vm。4)对于FET,mSFET;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。同质外延Ib单晶合成金刚石作衬底。
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0122mS mm,是目前跨导
最高的金刚石场效应管。
由于MESFET中存在与沟道平行的寄生导电沟道,MESFET,。此外,的高温特性。
,金刚石薄膜器件的发展主要存在以下问题:
1)由于不能进行有效的n型掺杂,不能制作pn结,这严重限制了金刚石的使用和开发。除了制作无源器件以外,只能制作肖特基二极管及场效应管。
2)金刚石掺杂唯一可用的B受主激活能比较大(约为370meV),甚至在高温时也不能完全激活,因此跨导较低及漏极电流较小,不利于器件工作。
3)由于金刚石是共价键半导体,有与金属无关的势垒;而且由于金刚石表面难以形成重掺杂。因此难以形成良好的欧姆接触。尽管目前金刚石功率器件的发展存在一些问题,但总的看来,金刚石器件是一种在高压、高温领域具有强大生命力的新器件。随着各种CVD技术的发展和完善,以及n型掺杂、异质外延和半导体器件设计、封状技术的成熟,金刚石器件在下一世纪初将得到巨大的发展,同时也将使超大规模及超高速集成电路的发展进入一个崭新的时代。
漏电流为ΛA5)350,最高工作电压为V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.
+[7]Ebert等人研制的p p金刚石肖特基二极管
在150℃时的串联电阻仅为148,500℃时下降到88,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,因此对虽然目FET的研究主要集中在MESFET上。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MES24
4 结 论
随着半导体功率器件的进一步发展及其工
(下转第8页)
半导体技术1999年4月第24卷第2期
自己车灯照明范围外的物体也看得很清楚。试验表明,这种摄象机是最好用的,有点像后视反射境一样,当需要夜视时看一眼就行了。飞机的辅助设备:如果飞行员和机场管理人员配用夜视辅助设备使商用飞机在能见度降低的情况下能维持正常的飞行时间表,就可获得显著的经济效益。在例如飞机着陆、滑行和飞行控制态势方面把红外摄象机用作飞机辅助设备的评估测试目前正在进行之中。
系统监视器:用无线电测量的非接触红外摄象机,在合适的温度下可对金属、建筑物、工业机器及其加工进行监视。由于测辐射热计的波段宽、敏感范围和动态范围大、线性度高,因而特别适用于无线电测量。
公共事务:许多公共事务如警察、安全索、救援、当然,,要对(上接第4页)
其未来的商业应用作出准确的预测是困难的,这如同20年前电子工程师对微处理器的未来作预测一样。但笔者坚信,随着技术的进步,测辐射热计列阵将实现高性能和低价格,必将在未来消费市场发挥重要作用。
参 考 文 献
1 高国龙译.美国新计划将支持室温焦平面列阵发展,红外,
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4H2SiC
MESFETπswith218W mmpowerdensityat1186GHz.
作温度、工作电压、工作频率的升高,Si功率
器件已经显示出其局限性,因此开发研究以金刚石为代表的宽禁带半导体器件已越来SiC、
越被人们所关注。本文在此阐述了宽禁带半导体材料的基本性质与SiC、金刚石半导体功率器件的最新发展动态及其存在的一些困难。虽然这些宽禁带半导体器件的发展远远落后于Si器件,但是我们相信,SiC、金刚石等宽禁带半导体器件必将成为二十一世纪电子器件及集成电路的主流,它们将改变以Si为基础的微电子产业结构,同时也将给社会各领域尤其是电子领域带来一场规模浩大的技术变革。
参 考 文 献
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8 VescanA,GlucheP,EbertWetal.High2temperature,
high2voltageoperationofpulse2dopeddiammondMES2FET.
～224IEEEEDL,1997;18(5):222
(收稿日期 19980511)
刘海涛 男,1996年毕业于浙江大学信电系微电子专业,现于该校攻读博士学位。主要研究方向为功率器件新结构及智能功率集成电路的研究。
陈启秀 男,教授,博导,1956年毕业于浙江大学电机工程系;曾在浙江大学电机系、信电系(原无线电系)任教,现任浙江大学功率器件研究所所长。主要从事半导体器件物理与工艺、双极与场控功率器件以及智能功率集成电路的研究。
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