宽禁带功率MOSFET半导体器件的研究进展(精)

宽禁带功率MOSFET半导体器件的研究进展半个世纪以来，功率半导体器件得到长足发展，极大地促进了电力电子技术的进步，而功率半导体器件的发展主要基于整个微电子领域的基石——硅材料。19世纪80年代以来，硅材料本身的物理特性对硅基功率器件性能的限制被认识得越来越清晰。

实现低导通电阻的方法是提高材料的临界击穿电场，也就是选择宽禁带的半导体材料。根据更符合实际应用，以及综合考虑功率器件的导通损耗、开关损耗和芯片面积等因素的估算，碳化硅、氮化镓和金刚石功率器件大大降低了损耗和器件面积，新型宽禁带半导体材料将引发功率器件的巨大进步。

同时，以碳化硅、氮化镓和金刚石为代表的宽禁带半导体材料具有较大的电子饱和速度，可以应用于射频器件领域。碳化硅和金刚石具有较高的热导率，适用于对需要耗散较大功率并且半导体芯片热阻是系统热阻一个重要组成部分的大功率应用领域。

基于材料的优越性能，宽禁带半导体功率器件受到广泛关注和深入研究。由于其器件性能的优势基本来源于材料本身，所以宽禁带半导体材料的研究是新型功率器件研究首先要面临的挑战。

2.碳化硅功率器件

碳化硅SiC、氮化镓GaN和金刚石是典型的宽禁带半导体材料。基于碳化硅材料的功率器件经过了长时间研究，已经具有较高的成熟度和可靠性。2004年，Cree公司成功研发微管密度低于10cm-2的高质量3英寸4H-SiC材料，并投放市场。2007年，该公司又推出了4英寸零微管密度的4H-SiC材料，可用于制作大尺寸的高功率器件。

目前Cree公司、II-VI公司、Dow Corning公司和Nippon Steel已经批量生产4英寸碳化硅晶圆。2010年业界发布了6英寸的碳化硅晶圆。150mm的晶圆毫无疑问会降低碳化硅器件制造成本，并且为4H-SiC功率器件的发展提供坚实基础。

2.1 碳化硅功率二极管

碳化硅功率二极管有三种类型：肖特基二极管（SBD）、P-i-N二极管和结势垒控制肖特基二极管（JBS）。由于存在肖特基势垒，SBD具有较低的结势垒高度。因此，SBD具有低正向电压（范围从0.7V 到1.5V，取决于肖特基的金属材料及器件加工工艺）的优势。但是，具有低正向导通电压的肖特基势垒通常会导致较高的反向漏电流。值得注意的是，因为一种“镜像力”,其中一种需要进行外延重生长技术而另外一种不需要。

外延重生技术的使用范围有限并且稳定性差，而第二种技术存在以下的问题：为了能够获得性能良好、均匀的栅极阈值电压，器件的台面宽度和JFET的沟道宽度需达到亚微米的精确度，对深层各向异性刻蚀工艺的要求较高。在工艺允许的范围内，常断型碳化硅JFET器件由于沟道较长较窄而具有较大的导通电阻。

此外，碳化硅JFET的栅极电压需要在2.7V以下，以在保证器件导通的同时避免较大的栅极驱动电流。如果阈值电压为正值，通过栅极过偏置来实现低的通态阻抗的空间被降到最低，因此大大降低碳化硅JFET器件的静态性能和动态性能。

因此出现了另一种解决碳化硅JFET阈值电压问题的方法——级联。碳化硅高压JFET 通常需要-20V~-10V的阈值电压，而具有标准阈值电压的低压MOSFET器件可以阻断30V左右的电压。这个电路组合具有标准功率MOSFET相同的门极驱动特性，也具有高压碳化硅JFET 器件的电流电压特性。

此外，由于碳化硅JFET器件的栅极与MOSFET器件栅极的耦合和碳化硅JFET中的栅源电容减小，米勒效应被极大地削弱，大大提高器件的开关特性，其开关时间仅由负载电流和电路寄生效应决定。

由于其常通特性，碳化硅JFET比别的器件更适合用为限流器件。

目前，已由报道可以实现阻断电压高达11kV，比导通电阻为168 mΩcm2的碳化硅JFET器件。有研究报道在使用掩埋栅极结构和额外的衬底工艺后，器件处于700V的漏源电流时可以获得1.0 mΩcm2的低比导通电阻。目前Semisouth公司推出了阻断电压

1.2kV，通态比电阻63mΩcm2的碳化硅JFET器件，SiCED公司的碳化硅JFET器件阻断电压范围在800V至1.8kV，比导通电阻低至80 mΩcm2。

2.4 碳化硅功率MOSFET器件

功率MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在300V以下的功率器件领域，硅MOSFET是首选的器件。研究人员认为，碳化硅MOSFET器件在3kV～5 kV领域将占据优势地位，因此，碳化硅功率开关器件的主要研究工作是针对基于碳化硅功率MOSFET器件。

碳化硅功率MOSFET面临的两个主要问题是器件在阻断状态时栅氧层的击穿问题和沟道电阻问题。因为碳化硅的雪崩击穿电场很高，栅氧层将在碳化硅材料尚远未达到雪崩电场的时候就会出现可靠性问题，这严重限制了碳化硅功率MOSFET的阻断电压。

碳化硅MOSFET中由于材料中有碳原子，热氧化生长的栅氧层存在大量的表面态，并产生大量的陷阱，使得沟道电子的迁移率下降到最低10cm2/Vs，远远低于硅中的电子迁移率，增加了MOSFET的沟道电阻，严重制约了碳化硅MOSFET的性能的提高。同时，栅氧层大量表面态和陷阱将大大影响器件的可靠性和长期稳定性。

近年来，有大量的研究针对改善碳化硅MOSFET栅氧层的问题。第一个方法是在氮气中对热生长的栅氧层进行退火，包括在NO和N2O气体中的退火。这个方法可以降低碳化硅MOSFET栅氧层中界面态的密度，显著提高MOSFET沟道电子迁移率。

有报道1.2V的碳化硅MOSFET器件，比导通电阻达到5mΩcm2，其性能达到碳化硅的其他类型功率开关器件的水平。第二个方法是适用碳化硅的<1120 >晶面来制作其栅氧层。第三个方法是在富钠的环境中生长碳化硅MOSFET的栅氧化层，其沟道电子迁移率达到200 cm2/Vs，这个方法由于器件的稳定性方面的不确定性而不被广泛采用。

在双扩散金属氧化物半导体场效应管（DMOSFET）中，MOSFET的P体区是注入生成的，而在注入的P体区上生长热氧化层将比在外延层上生长热氧化层具有更大的挑战，所以实现低导通电阻的碳化硅

MOSFET将遇到更多困难。

然而，碳化硅MOSFET器件的研发还是取得了显著进展，已有研究结果报道了具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件。美国Cree公司报道了8.1mm×8.1mm，阻断电压10kV，电流20A的碳化硅MOSFET芯片，并可以通过并联模块得到100A的电流传输能力。

另外，在栅氧层的界面态对碳化硅MOSFET器件的长期稳定性影响方面，行业中还有没有达成一致的结论。有些报道提出碳化硅及其MOSFET中氧化层的带阶结构带来的器件的高温可靠性问题。而最近的报道显示了在350℃下碳化硅栅氧层良好的可靠性。

20年以来，碳化硅MOSFET栅氧层的可靠性得到明显提高。这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是碳化硅MOSFET的一个显著的问题。

在碳化硅MOSFET研究领域，主要的研究机构是Cree、GE和Infineon公司。这些公司目前能提供初步的1.2kV，10A～20A的碳化硅MOSFET商业样片。预计在未来几年内，碳化硅MOSFET将实现商业化。

2.5碳化硅绝缘栅双极晶体管（SiC IGBT）和碳化硅晶闸管（SiC Thyristor）

在高压应用领域（5kV～10kV以上），即使是碳化硅器件也需要一个足够的厚漂移层来实现电导率调制。在硅功率器件领域，IGBT已经被接受为双极型功率器件的代表。在碳化硅器件领域，高压碳化硅IGBT面临两个挑战。

第一个挑战与碳化硅MOSFET器件一样，沟道低电子迁移率导致高的沟道电阻。第二个挑战是N型IGBT需要P型衬底，而P型衬底的电阻率比N型衬底的电阻率高50倍。因此，为了避免高的衬底电阻，IGBT首先采用了P型结构。1999年报道了第一个碳化硅IGBT器件。

最近报道了阻断电压12kV的碳化硅P型IGBT器件，并具有良好的正向电流能力。2007年报道了具有优越正向导通特性的12kV碳化硅N型IGBT器件。碳化硅IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比，微分电阻比单极碳化硅功率器件的理论值低，清晰地显示了碳化硅IGBT器件中的电导率调制效应。

关于碳化硅晶闸管，有报道介绍了1cm2的晶闸管芯片，阻断电压5kV，在室温下传输电流100A（电压4.1V），开启和关断时间在几十到几百纳秒。

3.氮化镓功率器件

因为缺乏高品质的衬底，氮化镓材料通常生长在碳化硅、蓝宝石或者硅衬底上。由于氮化镓与碳化硅的晶格失配最小，因此生长于碳化硅衬底的氮化镓拥有最好的品质，从而被广泛地应用于高功率射频（RF）领域。由于碳化硅衬底的成本很高，因此基于碳化硅衬底的氮化镓在功率器件领域并没有引起广泛的关注。

近年来，氮化镓材料在硅衬底上的生长技术获得重大进步，这使得基于硅<111>晶面衬底的高品质氮化镓成为可能，克服了17％的晶格失配。跟碳化硅技术相比，由于它在成本上大大降低，氮化镓功率开关器件开始得到广泛关注，并有大量关于基于硅衬底的氮化镓功率开关器件的报道。现有多个研究团队致力于提高氮化镓外延层的均匀性并降低其缺陷。

基于AlGaN/GaN的异质结结构，氮化镓的宽禁带结构中具有独特的两维电子气现象

（2DEG），氮化镓器件的优势主要来源于此。在二维电子气结构中，电子密度达到1013cm-2，电子迁移率高于1200cm2/Vs。这个迁移率比碳化硅表面的电子的迁移率明显要高，为实现低导通比电阻的功率器件提供了基础。

3.1 氮化镓二极管

氮化镓二极管通过铂在AlGaN表面的积累形成肖特基接触来实现2DEG效应。

Ti/Al/Ti/Au金属层的结合能够形成阴极的欧姆接触。这种基于硅的氮化镓肖特基二极管可以阻断1kV以上的电压。

有报道称基于蓝宝石衬底的氮化镓二极管有着高达9.7kV的阻断电压。氮化镓肖特基二极管的功率开关器件的研发应该会和同等电压电流等级的氮化镓HEMT器件同步发展。

3.2 氮化镓高迁移率晶体管（GaN HEMT）

因为两维电子气的特性，氮化镓HEMT器件广泛应用在功率开关器件和射频功率器件方面。已报道了击穿电压1.3kV、导通比电阻1.7mΩcm2的氮化镓HEMT器件，这种器件的性能已经超越了目前报道的碳化硅功率器件，比硅单极器件的极限值大约要好1000倍。

最近有报道导通电流大于5A、阻断电压大于600V、导通比电阻低至2.5 mΩcm2的氮化镓HEMT器件，大于70A、500V的氮化镓HEMT器件也见诸报道。

氮化镓HEMT面临两个问题。第一个问题是器件的阈值电压会趋于负值，这会导致一个类似于碳化硅JFET器件相同的问题。能用来提高氮化镓HEMT器件阈值电压的办法不多，其中一个是通过引入带负电的氟离子实现低掺杂漏区，从而提高器件的阈值电压。另一个方法采用HEMT/MOS混合结构。

在考虑氮化镓HEMT器件的商业化之前，第二个问题是氮化镓HEMT器件的稳定性和可靠性问题。在异质结的材料生长过程中，在不同材料界面上不可避免地会产生表面态和陷阱，包括过渡层、氮化镓层、AlGaN和顶保护层等之间的界面，在一定程度上而言，这些问题和过去几年被激烈研究讨论过的碳化硅MOS器件的表面态问题类似。氮化镓HEMT 器件的这些界面的优化和完善是实现其产品的商业化的必要条件。

国际整流器（IR）公司最近宣布基于硅衬底的氮化镓功率器件，它集成了驱动电路用于低压（<20V）功率管理，显示了氮化镓HEMT器件在低压领域的应用前景。

4.总结

本文介绍了以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带功率半导体器件的发展和现状。碳化硅和氮化镓在功率电子应用方面的发展都获得了很多重大的成就。600V~1200V的碳化硅二极管技术已经成熟并商业化。

虽然碳化硅三端功率器件在技术上还是存在一些问题，业界已经可以提供三种碳化硅晶体管（SiC BJT，SiC JFET和SiC MOSFET）的商业样片，某些企业已经可以提供初步的产品，成熟的碳化硅晶体管将在未来几年进入功率器件市场。

据估计，在2015年和2019年，碳化硅功率器件市场份额将分别达到1.5亿美元和8亿美元，而市场主流将从低压领域（<1.2kV）转移到中压领域（1.2~1.7kV）。

同时，由于基于硅衬底的氮化镓技术的巨大潜力，既能够大大降低成本，又能够保持宽禁带半导体器件的优越性能，氮化镓二极管和氮化镓HEMT器件在较低电压领域拥有巨大的潜力。

宽禁带半导体

半导体材料种类繁多，分类方法各不相同，一般将以硅(Si)、锗(Ge)等为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料；以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)等为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料；以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝（AlN）、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料[1]。以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是从20世纪50年代开始，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域[2]。 20世纪90年代以来，随着移动无限通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，第二代半导体材料开始兴起。由于其具有电子迁移率高、电子饱和漂移速度高等特点，适于制备高速和超高速半导体器件，目前基本占领手机制造器件市场[3]。 当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、 大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求，必须采用新的材料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来，新发展起来了第三代半导体材料--宽禁带半导体材料，该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点[4]，这就从理论上保证了其较宽的适用范围。目前，由其制作的器件工作温度可达到600℃以上、抗辐照1×106rad；小栅宽GaNHEMT器件分别在4GHz下，功率密度达到40W/mm；在8GHz，功率密度达到30W/mm；在18GHz，功率密度达到9.1W/mm；在40GHz，功率密度达到10.5W/mm；在80.5GHz，功率密度达到2.1W/mm，等。因此，宽禁带半导体技术已成为当今电子产业发展的新型动力。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；而GaN技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入[5]。氮化铝、金刚石、氧化锌等宽禁带半导体技术研究报道较少，但从其材料优越性来看，颇具发展潜力，相信随着研究的不断深入，其应用前景将十分广阔。 1宽禁带半导体材料 1.1碳化硅单晶材料 在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言，碳化硅是这族材料中最高的，是宽禁带半导体的核心。SiC材料是IV-IV族半导体化合物，具有宽禁带(Eg：3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点[6]。从结构上讲，SiC材料属硅碳原子对密排结构，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面体空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面体空位[7]。对于碳化硅密排结构，由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种[8]。目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC特别适用于光电子领域，实现全彩显示。 第一代、第二代半导体材料和器件在发展过程中已经遇到或将要遇到以下重大挑战和需求[9,10]： (1)突破功率器件工作温度极限，实现不冷却可工作在300℃～600℃高温电子系统。 (2)必须突破硅功率器件的极限，提高功率和效率，从而提高武器装备功率电子系统的性能。 (3)必须突破GaAs功率器件的极限，在微波频段实现高功率密度，实现固态微波通讯系统、雷达、电子对抗装备更新换代。 (4)必须拓宽发光光谱，实现全彩显示、新的光存储、紫外探测以及固态照明。 随着SiC技术的发展，其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础。因此SiC材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。 SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、 欧洲、日本三足鼎立的局面。目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国

宽禁带半导体功率器件

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Si C、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 W ide Bandgap Sem iconductor Power D ev ices L iu H aitao,Chen Q ix iu (Institu te of P o w er D ev ices,Z hej iang U niversity,H ang z hou310027) Abstract　T he p ap er p resen ts the m ain characteristics of w ide bandgap sem iconduc2 to rs,and elabo rates the latest developm en t of Si C and diam ond pow er devices.A t the sam e ti m e,the fu tu re developm en t of Si C and diam ond pow er devices is fo rcasted. Keywords　W ide bandgap sem iconducto r　Pow er devices　Si C　D iam ond 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(W B G)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、Si C、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GaA s更适合于制作高温、高频及高功率器件。其中John son优值指数(JFOM=E c v s 2Π,E c 为临界电场;v s为电子饱和速率)、Keyes优值指数(KFOM=Κ[C v s 4ΠΕ]1 2,其中C为光速;Ε为介电常数)和B aliga优值指数(B FOM=ΕΛE G3,其中E G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,GaA s的比较。 由表1可知宽禁带半导体具有许多优点: 1)W B G具有很高的热导率(尤其是Si C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W B G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)W B G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,GaA s更适合于制作毫米波放大器及微波放大器。除此之外,W B G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Si C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Si C及金刚石的最新发展。 2　Si C功率器件 近年来Si C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

宽禁带半导体ZnO材料的调研开题报告

山东建筑大学毕业论文开题报告表班级： 姓名： 论文题目宽禁带半导体ZnO的调研一、选题背景和意义 Zn0是一种新型的II-VI族宽禁带半导体材料，具有优异的晶格、光电、压电和介电特性，和III-V族氮化物及II-VI族硒化物比具有很多潜在的优点。首先，它是一种直接带隙宽禁带半导体，室温下的禁带宽度为，与GaN()相近，而它的激子结合能()却比GaN()高出许多，因此产生室温短波长发光的条件更加优越；而且ZnO薄膜可以在低于500℃温度下获得，不仅可以减少材料在高温西制备时产生的杂质和缺陷，同时也大大简化了制备工艺；同时ZnO来源丰富，价格低廉，又具有很高的热稳定性和化学稳定性。ZnO在UV、蓝光LED和LDS器件等研究方面被认为是最有希望取代GaN的首选材料，ZnO已经成为国内外半导体材料领域一个新的研究热点。国内外有很多科研团队都在进行ZnO的研究．虽然Zn0暂时不能完全取代si 在电子产业中的基础地位，但是ZnO以其特殊的性质成为Si电路的补充。 国内外对于ZnO的研究一直是近几年半导体材料研究的热点。无论是薄膜ZnO、纳米ZnO或是体单晶ZnO，文献很好地总结了2003年之前的国外ZnO晶体的研究与发展状况。随着高质量、大尺寸单晶ZnO 生产已经成为可能，单晶ZnO通过加工可以作为GaN衬底材料。ZnO与GaN的晶体结构、晶格常量都很相似。晶格失配度只有2.2%(沿〈001〉方向)、热膨胀系数差异小，可以解决目前GaN生长困难的难题。GaN作为目前主要的蓝、紫外发光半导体材料，在DVD播放器中有重要的应用。由于世界上能生产ZnO单晶的国家不多，主要是美国、日

本。所以ZnO单晶生产具有巨大的市场潜力。近年来，材料制备技术的突破，纳米ZnO半导体的制备、性能及其应用成为材料学的一个研究热点。 本文介绍了ZnO薄膜具有的许多优异特性，优良的压电性、气敏性、压敏性和湿敏性，且原料廉价易得。这些特点使其在表面声波器件(SAW)、太阳能电池、气敏元件等领域得到广泛的应用。随着对ZnO紫外受激发射特性的研究和P型掺杂的实现，ZnO作为光电材料在紫外探测器、LED、LD等领域也有着巨大的应用潜力。另外本文还介绍了纳米氧化锌的许多优点和在许多方面的应用。 目前，我国各类氧化锌处于供不应求的状况，而以活性氧化锌和纳米氧化锌取代传统氧化锌是不可阻挡的趋势，可见，今后纳米氧化锌必会有非常广阔的市场前景。 二、课题关键问题及难点 要深入研究该方面的知识，就要涉猎很多方面的知识。作为本科学生，如何在现有知识的基础上，阅读并理解有关书目、文献，总结归纳相关理论和研究方法，是本课题首先要解决的关键问题。 首先，要了解氧化锌作为宽禁带半导体的特性，然后再细致的查找氧化锌薄膜的诸多性质和这些性质在哪些方面的应用。同时要寻找纳米氧化锌材料与普通氧化锌材料相比有哪些优点、在发展中存在的问题和以后的研究方向。查询相关资料并阅读和理解之后，合理的安排介绍氧化锌作为宽禁带半导体材料的性质和应用。 三、文献综述 当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需

宽禁带半导体材料与工艺

宽禁带半导体材料与工艺 1.1 宽禁带半导体的概念和发展 宽禁带半导体（WBS）是自第一代元素半导体材料（Si）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。这类材料主要包括SiC（碳化硅）、C-BN（立方氮化硼）、GaN（氮化镓、）AlN（氮化铝）、ZnSe（硒化锌）以及金刚石等。 第二代半导体GaAs与Si相比除了禁带宽度增大外，其电子迁移率与电子饱和速度分别是Si的6倍和2倍，因此其器件更适合高频工作。GaAs场效应管器件还具有噪声低、效率高和线性度好的特点但相比第三代半导体GaN和SiC，它的热导率和击穿电场都不高，因此它的功率特性方面的表现不足。为了满足无线通信、雷达等应用对高频率、宽禁带、高效率、大功率器件的需要从二十世纪九十年代初开始，化合物半导体电子器件的研究重心开始转向宽禁带半导体。 我们一般把禁带宽度大于2eV的半导体称为宽禁带半导体。宽禁带半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。 1.2 主要的宽禁带半导体材料 近年来，发展较好的宽禁带半导体材料主要是SiC和GaN，其中SiC的发展更早一些，碳化硅、氮化镓、硅以及砷化镓的一些参数如下图所示：

图1-1 半导体材料的重要参数 如上图所示，SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs，相应的本征载流子浓度小于硅和砷化镓，宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体材料。击穿场强和饱和热导率也远大于硅和砷化镓。 2.1 SiC材料 纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC（称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。 SiC是IV-IV族二元化合物半导体，也是周期表IV族元素中唯一的一种固态化合物。构成元素是Si和C，每种原子被四个异种原子所包围,形成四面体单元(图25a)。原子间通过定向的强四面体SP3键(图25b)结合在一起，并有一定程度的极化。SiC具有很强的离子共价键，离子性对键合的贡献约占12%,决定了它是一

宽禁带半导体光电材料研究进展

宽禁带半导体光电材料的研究及其应用 宽禁带半导体材料(Eg大于或等于3.2ev)被称为第三代半导体材料。主要包 括金刚石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有禁带宽度大,电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好,具有更高的击穿电场、更高的抗辐射能力的特点,其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景,非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。 以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物作为第三代半导体材料,是一种良好的直 接宽隙半导体光电材料,其室温禁带宽度为3.4eV,它可以实现从红外到紫外全可见光范围的光辐射。近年来已相继制造出了蓝、绿色发光二极管和蓝色激光器等光电子器,这为实现红、黄、蓝三原色全光固体显示,制备大功率、耐高温、抗腐蚀器件,外空间紫外探测,雷达,光盘存储精细化、高密度,微波器件高速化等奠定了基础。 氮化镓和砷化镓同属III-V族半导体化合物,但氮化镓是III-V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光,其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短,这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积,从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比,它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上,而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方 面具有明显的实用价值,同时在光电子领域的其他方面也可以得 到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点,但由于氮 化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结,氮化 镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的 努力,1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材

宽禁带半导体材料特性及生长技术_何耀洪

宽禁带半导体材料特性及生长技术 何耀洪, 谢重木 (信息产业部电子第46所,天津,300220) 摘要:叙述了宽带半导体材料SiC、G aN的主要特性和生产长方法,并对其发展动态和存在问题进行了简要评述。 关键词:宽禁带半导体材料;碳化硅;氮化硅 中图分类号:TN304 文章编号:1005-3077(1999)-04-0031-09 The Characteristics and Growth Methods of Wide Bandgap Semiconductor Materials HE Yaohong, XIE Chongmu (T he46th Research Institute,M.I.I.,T ianjin,300220) A bstract:The paper presents the main characteristics and g rowth methods o f wide bandgap semiconduc- tor materials,In aditio n,the lastest developments and problems o n SiC and GaN to be reviewed. Key words:w ide bandgap semiconductor materials;SiC;G aN 1　引 言 在半导体工业中,人们习惯地把锗(Ge)、硅(Si)为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料,把砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料,而把碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的化合物半导体材料称为第三代半导体材料,由于SiC和GaN材料的禁带宽度较Si、GaAs等材料更宽,因而它们一般具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频及大功率器件,故称这类材料为宽禁带半导体材料,也称高温半导体材料。它们在微电子和光电子领域中具有十分广阔的应用潜在优势,如AlGaN HFET最大振荡频率超过100GHz,功率密度大于5.3W/m m(在10GHz时),4H-SiC M EFET在850M Hz(CW)和10GHz(PW)时功率密度3.3W/mm,4H-SiC PIN二极管击穿电压高达5.5kV;在可见光全光固体显示、高密度存储、紫外探测及在节能照明(半导体激光光源能耗仅为相当亮度白炽灯泡的十分之一,而寿命长达10～15年)等方面开创了广阔的应用前景。 2　SiC材料特性及生长技术 近年来,随着半导体器件在航空航天、石油勘探,核能、汽车及通信等领域应用的不断扩 收稿日期:1999-11-30

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 Wide Bandgap Semiconductor Power Devices Liu Haitao,Chen Qixiu (Institute of Power Devices,Zhejiang University,Hangzhou 310027) Abstract The paper presents the main characteristics of wide bandgap semiconductors,and elaborates the latest development of SiC and diamond power devices.At the same time,the future development of SiC and diamond power devices is forcasted. Keywords Wide bandgap semiconductor Power devices 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＝ E c.v s/2π，E c为临界电场；v s为电子饱和速率）、Keyes优值指数（KFOM ＝λ［C.v s/4πε］1/2，其中C为光速；ε为介电常数）和Baliga优值指数（BFOM＝εμE G3,其中E G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

氮化物宽禁带半导体—第三代半导体技术

氮化物宽禁带半导体一第三代半导体技术 张国义１，李树明２ 北掌大学韵曩最，卜蘑■一目毫重点宴■宣 ‘２北大董光科技酣青曩公司 北囊１∞耵１ ｉ盲謦。 莳耍曰曩了量化精半导体曲主要持征和应用■量．巨督圈辱上和重内的主曩研兜理状．市场分析与攮测．由此－ｕ蚪再｝１１．氯化韵帕研究已妊成为高科技鬣壤田际竟争的■膏点之一．ｔ为第三代半■体拄术，育形成蠢科技臣夫产＿ｔ群的ｒ口艟 性．也存在着蠢积的竞争和蕞｛；‘翻舶风龄． 众所周知，以Ｇｅ，Ｓｉ为基础的半导体技术，奠定丁二十世纪电子工业的基础．其主要产品形式是以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品．形成了巨大的徽电子产业 群。其技术水平标志是大的晶片尺寸和窄的线条宽度．如１２英寸／０．１５微米技术．是成 功的标志，被称之为第一代半导体技术．以Ｇ“ｓ．ＩｎＰ．包括Ｇ吐ｌ＾ｓ，ＩｆＩＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ瞢 ＩＩＩ—ｖ族砷化物和碑化韵半导体技术，奠定了二十世纪光电子产业的基础，其主要产品形 式是以光发射器件，如半导体发光二极管（Ｌ肋）和激光嚣（ＬＤ）等．为基础的光显示． 光通讯，光存储等光电子系统，形成了巨大的信息光电产业群。其技术水平标志是使通讯 速度，信息容量，存储密度大幅度提高，被称之为第二代半导体技术． 对徽电子和光电子领域来说，二十世纪存在的问矗和二十一世纪发晨趋势是人们关心的问题．高速仍然是微电子的追求目标，高温大功率还是没有很好解决的问题；光电子的 主要发展趋势是全光谱的发光器件，特别是短波长（绿光．蓝光．咀至紫外波段）ＬＥＤ和 ＬＤ．光电集成（０ＥＩｃ）是人们长期追求的目标，由于光电材料的不兼容性，还没有很好的 实现。事实上．这些问题是第一代和第二代半导体材料本身性质决定，不可舱解决的问 题。它需要寻找一种高性能的宽禁带半导体材料．而这一工作二十世纪后半叶就已经开 始．在世纪之交得以确认。那就是第三代半导体技术一ＩＩＩ一族氮化物半导体技术． ＧａＮ、ＡｌＮ和ＩｎＮ以及由它们组成的三元合金是主要的ＩＩＩ族氰化物材料．所有氮化物晶体的稳定结构是具有六方对称性的纤锌矿结构，而在一些特定的条件下，例如在立方豸多。 衬底上外延时，ＧａＮ和ＩｎＮ能够形成立方对称性的闪锌矿结构．这两种结构只是原子层的 堆积次序不同，它们的原予最近邻位置几乎完全相同，而次近邻位置有所不同，因而它们 的性质根接近。三元合金Ａ１ＧａＮ，ＩｎＧａＮ也是重要的氰化物材料。它们的禁带宽度基本符 合ｖｅｇａｒｄ定理［１，２］。№ｔｓｕｏｋａ［３］通过计算指出ＡｌＮ与ＧａＮ可咀组成组份连续变化的合 金，ＩｒＩＮ与ＧａＮ则存在较大的互熔间隙． 以氮化镓为基础的宽禁带半导体可以用来，并已经广泛用来制备高亮度蓝。绿光平＂白光ＬＥＤ，蓝光到紫外波段的激光器（ＬＤ），繁外光传感器，等光屯子器件：高温人功率场 设麻品体管（ＦＥＴ）．双极晶体管（ＨＢＴ），高电子迁移率晶体管（ＨＥＭＴ）等徽电子器 什：这些器件构成了全色火屏幕ＬＥＤ显示和交通信号灯等应Ｈｊ的ＲＧＢ１：鞋：向光ＬＥＤ将构 ?１７?

宽禁带半导体技术

宽禁带半导体技术 李耐和 概述 根据半导体材料禁带宽度的不同，可分为宽禁带半导体材料与窄禁带半导体材料。若禁带宽度Eg＜2ev （电子伏特），则称为窄禁带半导体，如锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）以及磷化铟（InP）；若禁带宽度Eg＞2.0-6.0ev，则称为宽禁带半导体，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、4H碳化硅（4H－SiC）、6H碳化硅（6H－SiC）、氮化铝（AIN）以及氮化镓铝（ALGaN）等。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件；而利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝、绿光和紫外光器件和光探测器件。因此，美国、日本、俄罗斯等国都极其重视宽禁带半导体技术的研究与开发。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于SiC和GaN技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；GaN技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入。 目前，多家半导体厂商演示了具有高功率、高功率附加效率（PAE）、高增益以及较宽工作带宽的宽禁带半导体。这些器件工作频率范围很宽，从不足1GHz到40GHz，而且性能优异。虽然自20世纪90年代以来的10多年时间里，SiC器件的演示结果非常喜人，但是高性能宽禁带器件的产量一直很低。一个主要原因就是无法得到理想的SiC基底――不但要具有足够高电阻系数，可以提供半绝缘特性，而且严重缺陷（如微孔）数量要足够低。由于没有高质量的基底，就无法通过宽禁带材料的同质/异质外延生长获得制作微波与毫米波器件所需的高度一致性、具有足够高电子迁移率的大尺寸晶片。 值得一提的是，在过去的3年里，SiC基底研制进展迅速，不仅圆片直径有所加大，而且缺陷数量与电阻率都达到了大批量生产性能优异的宽禁带器件与MMIC（单片微波集成电路）的技术要求。此外，宽禁带外延结构演示结果也令人满意。例如，GaNHEMT(高电子迁移率晶体管)在2.1GHz时饱和功率输出174W，PAE高达54%，其150W输出功率(2.1GHz)的线性增益为12.9dB。 技术现状 在过去的几年里，由于美国政府以及商业部门的大力支持，宽禁带半导体技术取得迅速进展。尤其是2002年美国国防先进研究计划局（DARPA）启动与实施的宽禁带半导体技术计划（WBGSTI），已成为加速改进SiC、GaN以及AIN等宽禁带半导体材料特性的重要催化剂。 在该计划第一阶段（2002－2004年）期间，市售SiC基底直径已由2英寸增加到3英寸；同时，部分供应商正在研制4英寸SiC基底，预计2006年商品化。目前，至少一家供应商（如Cree公司）已经建立SiC器件与MMIC圆片代工厂，并出售高功率SiC器件。表1则给出利用MBE（分子束外延）以及MOCVD （金属有机化合物气相沉积）技术生长的GaN外延层性能指标。同样，在获得可再现高电子迁移率活性层以及在材料特性一致性方面也取得了令人满意的结果。 表1 WEGSTI第一阶段GaN外延生长结果

新一代宽禁带半导体材料

新一代宽禁带半导体材料 回顾半导体的发展历程，随着不同时期新材料的出现，半导体的应用先后出现了几次飞跃。 首先，硅材料的发现使半导体在微电子领域的应用获得突破性进展，日用家电和计算机的广泛应用都应该归功于硅材料的应用。 而后，砷化镓材料的研究则使半导体的应用进入光电子学领域。用砷化镓基材料及其类似的一些化合物半导体，如镓铝砷、磷镓砷、铟镓砷、磷化镓、磷化铟和磷砷化镓等，制备出的发光二极管和半导体激光器在光通信和光信息处理等领域起到不可替代的作用，由此也带来了VCD和多媒体等的飞速发展。 目前，人们又开始研究新一代的宽禁带半导体材料，其中最有意义的是碳化硅、氮化镓和氧化锌。这些材料的共同特点是它们的禁带宽度在3．3到3．5电子伏之间，是硅的3倍，比砷化镓的禁带宽度也大了两倍以上。由于它们的一些特殊性质和潜在应用前景使它们备受关注。 碳化硅具有高热导率（硅的3．3倍）、高击穿场强（硅的10倍）、高饱和电子漂移速率（硅的2．5倍）以及高键合能等优点。所以特别适合于制造高频、大功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件，并且可以在几百度高温的恶劣环境下工作。可用于人造卫星、火箭、雷达、通讯、战斗机、海洋勘探、地震预报、石油钻井、无干扰电子点火装置、喷气发动机传感器等重要领域。目前，碳化硅高频大功率器件已应用到军用雷达、卫星通讯和高清晰度电视图像的发送和传播等方面。 氮化镓和砷化镓同属III－V族半导体化合物，但氮化镓是III－V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光，其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短，这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积，从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比，它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上，而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方面具有明显的实用价值，同时在光电子领域的其他方面也可以得到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点，但由于氮化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结，氮化镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的努力，1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材料的性能；1989年，Akasaki等人利用电子辐照方法实现了氮化镓P型材料的生长并制备出PN结；1995年Nakamura等人制备出发蓝紫光的氮化镓发光二极管，效率达到5％，赶上了传统的磷砷化镓发光二极管的效率，寿命超过一万小时。1997年，用氮化镓基材料制备的半导体激光器也开始面世。这一飞速发展的势头反映了氮化镓材料受重视的程度。有人估计，氮化镓器件在化合物半导体市场的份额将由1997年的2％很快上升到2006年的20％，成为光电子产业中非常重要的产品。 与氮化镓材料相比，氧化锌薄膜的紫外发光是刚刚开始的新兴课题。氧化锌是一种具有六方结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为3．36eV，特别是它的激子结合能高达60毫电子伏，在目前常用的半导体材料中首屈一指，这一特性使它具备了室温下短波长发光的有利条件；此外，氧化锌具有很高的导电性，它还和其他氧化物一样具有很高的化学稳定性和耐高温性质，而且它的来源丰富，价格低廉。这些优点使它成为制备光电子器件的优良材料，极具开发和应用的价值。1997年日本和香港科学家合作研究得到了氧化锌薄膜的近紫外受激发光，开拓了氧化锌薄膜在发光领域的应用。由于它产生的受激发射的波长比氮化镓的发射波长更短，对提高光信息的纪录密度和存取速度更加有利，而且价格便宜。目前，除了氧化锌薄膜的发光特性外，也有人发现了氧化锌薄膜的光生伏特效应，显示出用它制备太阳能电

宽禁带功率MOSFET半导体器件的研究进展

宽禁带功率MOSFET半导体器件的研究进展半个世纪以来，功率半导体器件得到长足发展，极大地促进了电力电子技术的进步，而功率半导体器件的发展主要基于整个微电子领域的基石——硅材料。19世纪80年代以来，硅材料本身的物理特性对硅基功率器件性能的限制被认识得越来越清晰。 实现低导通电阻的方法是提高材料的临界击穿电场，也就是选择宽禁带的半导体材料。根据更符合实际应用，以及综合考虑功率器件的导通损耗、开关损耗和芯片面积等因素的估算，碳化硅、氮化镓和金刚石功率器件大大降低了损耗和器件面积，新型宽禁带半导体材料将引发功率器件的巨大进步。 同时，以碳化硅、氮化镓和金刚石为代表的宽禁带半导体材料具有较大的电子饱和速度，可以应用于射频器件领域。碳化硅和金刚石具有较高的热导率，适用于对需要耗散较大功率并且半导体芯片热阻是系统热阻一个重要组成部分的大功率应用领域。 基于材料的优越性能，宽禁带半导体功率器件受到广泛关注和深入研究。由于其器件性能的优势基本来源于材料本身，所以宽禁带半导体材料的研究是新型功率器件研究首先要面临的挑战。 2.碳化硅功率器件 碳化硅SiC、氮化镓GaN和金刚石是典型的宽禁带半导体材料。基于碳化硅材料的功率器件经过了长时间研究，已经具有较高的成熟度和可靠性。2004年，Cree公司成功研发微管密度低于10cm-2的高质量3英寸4H-SiC材料，并投放市场。2007年，该公司又推出了4英寸零微管密度的4H-SiC材料，可用于制作大尺寸的高功率器件。 目前Cree公司、II-VI公司、Dow Corning公司和Nippon Steel已经批量生产4英寸碳化硅晶圆。2010年业界发布了6英寸的碳化硅晶圆。150mm的晶圆毫无疑问会降低碳化硅器件制造成本，并且为4H-SiC功率器件的发展提供坚实基础。 2.1 碳化硅功率二极管

宽禁带半导体的本征载流子浓度

宽禁带半导体的本征载流子浓度 列举了有代表性的宽禁带半导体本征载流子浓度的理论公式，简要叙述了温度与禁带宽度变化的关系，讨论了本征载流子浓度对电力电子器件参数特性的影响，并通过与硅材料的对比说明了宽禁带半导体的优异性能。 标签：宽禁带半导体；本征载流子；禁带宽度；电力电子器件 半导体材料的发展已历经三代，即分别以硅（Si）和砷化镓（GaAs）为代表的第一、第二代半导体材料，和以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，也称宽禁带半导体材料。由于其具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场强度、更高的热导率、更高的电子饱和漂移速度等独特的参数特性，因而在电力电子器件、光电器件、射频微波器件、激光器和探测器等方面，显示出广阔的发展前景，已成为目前世界各国半导体研究的重点。在这其中，电力电子器件是在高电压、大电流和高温下工作的，本征载流子浓度等温度敏感参数对器件的特性有着显著的影响，而宽禁带半导体材料比硅材料在这方面有着明显的优势，了解和把握这一点，对于研究宽禁带电力电子器件的参数特性显得十分必要。 1 本征载流子浓度的理论公式 根据半导体物理学，半导体的本征载流子浓度ni由下式给出： 2 温度对禁带宽度的影响 研究表明：随着温度的上升，禁带宽度将随之减小。文献[2]、[4]给出了硅和其它半导体禁带宽度与温度之间关系的表达式： 文献[2]给出了不同半导体材料禁带宽度参数，见表2。其中Eg（0）为00K 时的禁带宽度，α、β均为温度变化系数。 3 Eg与ni对电力电子器件参数特性的影响 3.1 Eg对击穿电压的影响 在描述半导体的雪崩击穿电压VB与材料禁带宽度Eg和杂质浓度NB的关系时，文献[5]引用了S.M.Sze公式： VB=60（Eg/1.1）1.5（NB/1016）-0.75 （8） 对于p+n结，当NB=1014cm-3时，分别将Si的Eg=1.12eV、4H-SiC的Eg=3.23eV代入式（8），计算出Si的雪崩击穿电压为1900V，而4H-SiC的雪崩击穿电压可达9500V，是Si的5倍。

宽禁带半导体器件对比word版本

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 Wide Ban dgap Semic on ductor Power Devices Liu Haitao,Chen Qixiu (I nstitute of Power DevicesZhejia ng Un iversity,Ha ngzhou 310027) Abstract The paper prese nts the main characteristics of wide ban dgap semic on ductors,a nd elaborates the latest developme nt of SiC and diam ond power devices.At the same time,the future development of SiC and diamond power devices is forcasted. Keywords Wide ban dgap semic on ductor Power devices SiC Diam ond 1引言 由于Si功率器件已日趋其发展的极限，尤其在咼频、咼温及咼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n —O n—s、n —Se川一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（JFOMk E=V s/2 n，E c为临界电场；v s为电子饱和速率）、Keyes优值指数 （KFO M入[CV s/4 n￡ ] 1/2，其中C为光速；￡为介电常数）和Baliga优值指数（BFO M C^E G3,其中E G为禁带宽度，卩为迁移率）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⑷。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

宽禁带材料的发展

宽禁带材料的发展

宽禁带半导体材料及其器件应用新发展 摘要：近几年以SiC为代表的宽禁带半导体材料以其宽的禁带宽度、高的击穿场强、高饱和漂移速度和高热导率，小介电常数和高的电子迁移率，以及抗辐射能力强等特性而成为国内外研究的热点，更成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射器件的理想材料。文章综述了SiC的材料特点、应用以及SiC材料发展现状及末来发展趋势。 关键字：SiC 宽禁带材料 1.特点 SiC是宽带隙半导体，室温下带隙为2.39eV (3C-SiC)～3.33eV (2H-SiC)。通过对能带结构的研究发现,它们所有的价带-导带跃迁都有声子参与,也就是说这些类型的SiC半导体都是间接带隙半导体。碳化硅独有的力学,光学,电学,和热属性使它在各种技术领域具有广泛的应用。SiC是目前发展最为成熟的宽禁带半导体材料,它有效的发光来源于通过杂质能级的间接复合过程.因此,掺入不同的杂质,可改变发光波长,其范围覆盖了从红到紫的各种色光.实验上发现SiC与氮化物可形成一种稳定单晶结构的固溶体,

晶格常数与6H-SiC基本匹配,当组分x达到一定值时,将发生间接带隙向直接带隙的转变。一旦变成直接带隙,其发光性能将大幅变化,在短波长发光和超高亮度二极管方面有巨大的应用潜力。同时SiC具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料。 2.国内外发展现状 SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，SiC器件能耐高温(500度以上)、高电压(1200V以上)，具有功率大、电流大、功耗小、频率高等优良特性，适用于大型电气设备系统，军用武器装备系统等，其耐差环境的特性是其他材料无法比拟的。SiC蓝光LED是唯一商品化的SiC器件,各种SiC多型体的LED覆盖整个可见光和近紫外光区域。6H-SiC纯绿光(530nm)的LED通过注入Al或液相外延得到,蓝光二极管是N-Al杂质对复合发光, 4H-SiC蓝光二极管是N-B杂质对复合发光。美国Cree公司是最早研究和生产SiC晶体和晶片的公司,其研制的蓝光LED发光中心为470nm,发光功率达到18微瓦。他们在1997年到1998年之间就可以

SiC的材料特性_第三代半导体_宽禁带半导体材料

第二章碳化硅材料特性 半导体的晶体结构和半导体器件的性能有着必然的联系。本章分析了SiC特殊的晶体结构，及与之相关的SiC杂质的不完全离化。 碳化硅的晶体结构 碳化硅的结构 碳化硅作为碳和硅唯一稳定的化合物，也是元素周期表中IV族元素中唯一的一种固态碳化物，其晶体结构由致密排列的两个亚晶格组成，每个Si(或C)原子周围包围的四个C(或Si)原子通过定向强四面体sp3键结合在一起，并有一定程度的极化。SiC晶体具有很强的离子共价键，具有很高的德拜温度。这一结构决定了碳化硅异常突出的化学稳定性和热稳定性，宽禁带和优良的抗辐照等性能。SiC的摩化硬度达到9级，仅次于金刚石；它的热导率达到5k w ，远高于大多数半导体，室温下几乎高于所有金属，这为制备高温、高功率、高密度SiC集成电路提供了良好潜能[17]。 碳化硅多型体 SiC晶体结构具有同质多型的特点，即在化学计量成分相同的情况下具有不同的晶体结构。如立方密堆积的闪锌矿结构；六角密堆积的纤锌矿结构和菱形结构，分别记做C、H、R。用该字母前的数字表示密排方向每一堆垛周期中Si-C层的数目，如3C、4H、6H、15R等。其中3C代表有三层Si-C原子层周期排列成立方结构，6H表示由6层Si-C为一周期排列的六角结构。一般把六角密堆积的纤维锌矿结构和菱形结构的多型体统称为α-SiC（如4H、6H、15R-SiC）,把立方密堆积的闪锌矿结构的SiC称为β-SiC（3C-SiC）。目前已发现的SiC多型体多达200种，并且从理论上讲多型体的数目是无限制的。 SiC晶体中的不对称点 各种类型的SiC中的不对称位置各不相同。我们以6H-SiC为例进行说明，图2.1为(1120)平面中Si和C原子的Z字形状，小点描述一个特殊垂直于C轴平面上的C原子，而相应的Si原子用大空心点表示[18]。h点是一个晶格位置，在该晶格点上C原子或相关的Si原子与相邻平面之间通过准六角键连接。同样地，k1和

宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望

第2期2009年4月 Journa l of CA EIT V o.l 4No .2A pr .2009 元器件专题 收稿日期:2009-02-04 修订日期:2009-03-19 宽禁带半导体SiC 功率器件发展现状及展望 张 波,邓小川,张有润,李肇基 (电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都 610054) 摘 要:碳化硅(Si C )是第三代半导体材料的典型代表,也是目前晶体生长技术和器件制造水平最成熟、应用最广泛的宽禁带半导体材料之一,是高温、高频、抗辐照、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。文章结合美国国防先进研究计划局DARPA 的高功率电子器件应用宽禁带技术H PE 项目的发展,介绍了S i C 功率器件的最新进展及其面临的挑战和发展前景。同时对我国宽禁带半 导体S i C 器件的研究现状及未来的发展方向做了概述与展望。关键词:宽禁带半导体;碳化硅;功率器件 中图分类号:TN 31;TN387 文献标识码:A 文章编号:1673-5692(2009)02-111-08 R ecent Develop ment and Fut ure Pers pective of Silicon Carbi de Po wer Devices )))Opportunity and Chall enge Z HANG Bo ,DE NG X iao -chuan ,Z HANG You -run ,LI Zhao -ji (State key L aboratory of E l ectronic T hi n F il m s and Integrated D ev ices ,U n i versity o f E lectron i c Sc i ence and T echno l ogy o f China ,Chengdu 610054,Ch i na) Abst ract :S ilicon carbide(Si C )is a typicalm ater i a l for t h e 3rd generati o n se m iconducto r .It is also one of t h e m ostw ide l y -used and the best types o fm aterial for the producti o n o fw ide band -gap se m iconduc -to rs ,largely due to advance m ent i n crysta l gro w t h technology ,and the m aterial p s h i g h to lerance i n ter m s of te mperature ,frequency ,radioacti v ity ,and po w er outpu.t The latest develop m ent in S i C po w er dev ice ,the challenges and the f u t u re perspecti v es i n vo l v ed ,and relates the descri p ti o n to the research in the state -o-f the -art DARPA W i d e B and -gap Se m iconductor Technology (W BST )and the H i g h Power E lec -tron ics (H PE )pr ogra m are a ll descri b ed i n t h is paper .Recent advances and the future perspecti v e of S i C dev ices i n Ch i n a are also addressed .K ey w ords :w ide bandgap ;silicon car b i d e ;pow er devices 0 引 言 新型半导体材料和器件的研究与突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展。以碳化硅(Si C )和氮化镓(Ga N)为代表的宽禁带半导体材料,是继以硅和砷化镓为代表的第一代、第二代半导体材料之后迅速发展起来的新型半导体材料。S i C 半导体材料具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点,特别适合制作大功率、 高压、高温、抗辐照电子器件 [1,2] 。由于S i C 功率器 件可显著降低电子设备的能耗,因此S i C 功率器件也被誉为带动/新能源革命0的/绿色能源0器件。 1 美国HPE 计划相关进展 从20世纪90年代起,美国国防部(DOD,depar-t m ent o f defense)就开始支持Si C 功率器件研究,S i C 功率器件样品相继问世。1992年,美国北卡州立大学功率半导体研究中心在全世界首次研制成功阻断电压