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1、綜 述寬禁帶半導(dǎo)體功率器件劉海濤 陳啟秀(浙江大學(xué)信電系功率器件研究所,杭州310027) 摘要 闡述了寬禁帶半導(dǎo)體的主要特性與SiC、金剛石等主要寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)及其存在的主要問題,并對(duì)其未來的發(fā)展作出展望。關(guān)鍵詞 寬禁帶半導(dǎo)體 功率器件 碳化硅 金剛石WideBandgapSemiconductorPowerDevicesLiuHaitao,ChenQixiu(InstituteofPowerDevices,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027)
2、AbstractThepaperpresentsthemaincharacteristicsofwidebandgapsemiconduc2tors,andelaboratesthelatestdevelopmentofSiCanddiamondpowerdevices.Atthesametime,thefuturedevelopmentofSiCanddiamondpowerdevicesisforcasted.KeywordsWidebandgapsemiconductorPowerdevices
3、SiCDiamond由表1可知寬禁帶半導(dǎo)體具有許多優(yōu)點(diǎn):1 引 言1)WBG具有很高的熱導(dǎo)率(尤其是SiC與金由于Si功率器件已日趨其發(fā)展的極限,尤剛石),使得它們能夠迅速轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的熱量,其在高頻、高溫及高功率領(lǐng)域更顯示出其局限廣泛用于高溫及高功率領(lǐng)域;2)由于WBG的性,因此開發(fā)研制寬帶半導(dǎo)體器件已越來越被禁帶寬度很大,因此相應(yīng)器件的漏電流極小,一人們所關(guān)注。所謂寬帶半導(dǎo)體(WBG)主要是指般比Si半導(dǎo)體器件低10～14個(gè)數(shù)量級(jí),有利于禁帶寬度大于212電子伏特的半導(dǎo)體材料,包括制作CCD器件及高
4、速存儲(chǔ)器;3)WBG具有比ê—O、ê—S、ê—Se、?—N、SiC、金剛石普通半導(dǎo)體更低的介電常數(shù)及更高的電子飽和以及其他一些化合物半導(dǎo)體材料。這些材料一速率,使之比Si,GaAs更適合于制作毫米波放般均具有較寬的禁帶、高的擊穿電場(chǎng)、高的熱大器及微波放大器。除此之外,WBG還具有負(fù)導(dǎo)率、高的電子飽和速率,因此他們比Si及的電子親和勢(shì)及很高的異質(zhì)結(jié)偏置電勢(shì),使得GaAs更適合于制作高溫、高頻及高功率器件。它們特別適合于陰極發(fā)射的平板顯示器。其中Johnson優(yōu)值指數(shù)(JFOM=Ec?vs?2P,Ec鑒于
5、近幾年SiC與金剛石材料的生長(zhǎng)技術(shù)為臨界電場(chǎng);vs為電子飽和速率)、Keyes優(yōu)值及氧化、摻雜、歐姆接觸等工藝的成熟,使得1?2指數(shù)(KFOM=K[C?vs?4PE],其中C為光速;SiC與金剛石器件得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,下E為介電常數(shù))和Baliga優(yōu)值指數(shù)(BFOM=面我們將主要評(píng)述SiC及金剛石的最新發(fā)展。3ELEG,其中EG為禁帶寬度,L為遷移率)分別2SiC功率器件從功率頻率能力、耐熱能力及導(dǎo)通功率損耗三[1][2]方面說明了這一科學(xué)事實(shí)。表1列出了常見近年來SiC功率器件的研究引起了世界科
6、寬帶半導(dǎo)體與Si,GaAs的比較。學(xué)界的高度重視,尤其是美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)1999年4月第24卷第2期1表1 寬禁帶半導(dǎo)體材料的基本特性材料特性SiGaAsBSiC4H2SiCGaNAlN金剛石禁帶寬度?eV1111143212312631456125145電子飽和速率?×107cm?s-1110110212210212217遷移率?cm2?V-1?s-1 電子150085001000114012502200空穴60040050508501600擊穿電場(chǎng)?×105V?cm-1362
7、030>10100介電常數(shù)11181215917916～109815515電阻率?8?cm1000108150>1012>1010>1013>1013熱導(dǎo)率?W?cm-1?K-1115014641941911331022Johnson優(yōu)值指數(shù)?×1023W-1?8-1?s-29106215253344101567073856Keyes優(yōu)值指數(shù)?×102W?℃?cm-1?s-113186139013229118444Baliga優(yōu)值指數(shù)(相對(duì)于Si而言)220394650815106030002727家
8、為此投入了大量的資金;同時(shí)也涌現(xiàn)出一批態(tài)電阻比Si整流器低一個(gè)數(shù)量級(jí),與溫度的關(guān)210214新型的SiC功率器件,主要包括LED發(fā)光器系為Ron2T,而在Si整流器中為Ron2T。件、pn結(jié)及肖特基整流器件、FET、雙極晶體如果不采用結(jié)終端技術(shù),SiC整流器的耐管及晶閘管。壓一般只能達(dá)到理論值的50%～80%左右。因211SiC二極管整流器件此為了進(jìn)一步提高耐壓值,采用結(jié)終端技術(shù)是1987年Shiahara等人通過CVD技術(shù)研制很有必要的。目前一般采取在
