碳化硅功率器件及應用

  碳化硅（SiC）半導體材料是自第一代元素半導體材料（Si、Ge）和第二代化合物半導體材料（GaAs、GaP、InP等）之后發展起來的第三代半導體材料。作為一種寬禁帶半導體材料，碳化硅具有禁帶寬度大、擊穿場強高、熱導率大、載流子飽和漂移速度高、介電常數小、抗輻射能力強、化學穩定性良好等特點，可以用來制造各種耐高溫的高頻大功率器件，應用于硅器件難以勝任的場合，或在一般應用中產生硅器件難以產生的效果。
 
  1. 碳化硅材料的特點
  SiC材料的一個顯著特點是同質多型，制作器件最常用的是4H-SiC和6H-SiC兩種。如表1所示，和傳統的半導體材料，如Si、GaAs等相比，SiC材料具有更高的熱傳導率（3～13倍），使得SiC器件可以在高溫下長時間穩定工作；更高的臨界擊穿電場（4～20倍）和更大的載流子飽和速率，有利于提高器件的工作頻率。

 
  2. SiC材料制備
  SiC單晶的制備最常用的方法是物理氣相傳輸（PVT），大約占晶圓供應量的90%以上。此外，高溫化學氣相淀積（CVD）也越來越重要，該方法能產生極低雜質含量的晶錠。同時，這兩種方法均可應用于制備SiC外延。20世紀50年代Lely使用兩層石墨舟，使外層的坩堝加熱到2500℃，SiC透過里層的多空石墨升華進入內層形成晶體。70年代后期，Tairrov和Tsvetkov對Lely法進行了改進，SiC源在石墨舟的底部，底部溫度達2200℃，頂部溫度較低并放置籽晶，溫度梯度為20~40℃/cm，這種方法又稱為PVT。
 
  由于SiC單晶的制備難度較大，成本高，因此SiC外延生長在SiC器件技術中舉足輕重。對于不同的襯底，生長SiC外延可以分為兩種：以SiC為襯底的同質外延生長和以Si和藍寶石為襯底的異質外延生長。自從較大直徑的SiC晶片商業化后，SiC同質外延生長技術發展很快，SiC同質外延生長主要采用以下方法：升華或物理氣相傳輸（PVT）、分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）及化學氣相淀積（CVD）。
 
  分子束外延法將原材料進行蒸發并作為分子束進行傳輸，最后到達經過預熱、處于旋轉狀態的襯底。這種方法可以提供高純質量、高精準厚度、低溫（600~1200℃）的外延層。液相外延是一種相對比較簡單而且成本較低的生長方法，生長發生在三相平衡線上，但這種方法對外延層表面形貌難以進行很好地控制，進而限制了LPE的使用。
 
  化學氣相淀積法中，襯底放在旋轉同時被加熱的石墨托盤上，氣相的分子束擴散到襯底表面并分解，由襯底表面吸收后與表面反應，形成外延層。這種方法目前是SiC襯底生產的主要外延工藝。
 
  3. SiC功率器件及應用
  SiC功率器件主要包括功率二極管（SBD和PiN等）、單極型功率晶體管（MOSFET、JFET和SIT等)和雙極型載流子功率晶體管（BJT和GTO等）。
 
  3.1 功率二極管
  肖特基勢壘二極管（SBD）作為一種單極性器件，在導通過程中沒有額外載流子注入和儲存，因而基本沒有反向恢復電流，其關斷過程很快，開關損耗很小。由于碳化硅材料的臨界雪崩擊穿電場強度較高，可以制作出超過1000V的反向擊穿電壓。在3kV以上的整流器應用領域，由于SiC PiN二極管與Si器件相比具有更快的開關速度、高結溫承受能力、高電流密度和更高的功率密度，SiC PiN二極管在電力設備、能量儲備、超高壓固態電源領域扮演更重要的角色。
 
  3.2 單極型功率晶體管
  碳化硅MOSFET的突出優勢體現在：導通電阻小；低電容，開關速度快；驅動電路簡單；正溫度系數易于并聯。因而，應用碳化硅MOSFET能夠提高系統的效率，降低散熱需求，提高開關頻率且增加雪崩強度。這些優勢決定了其在太陽能轉換器、高壓DC/DC變換器和電機驅動等領域中具有廣闊的應用。由于SiC MOSFET存在溝道電子遷移率和SiO2層擊穿的問題，因此作為沒有肖特基接觸和MOS界面的單極器件SiC JFET就很有吸引力。SiC JFET有著優良的特性和結構和相對簡化的制造工藝。SiC JFET產品分為常開溝道型（normally-on）和常閉溝道型（normally-off）兩種，其中常閉溝道型能夠與現有的標準柵極驅動芯片相匹配，而常開溝道型則需要負壓維持關斷狀態。SIT（靜電感應晶體管），主要用于從超高頻到微波頻率的大功率放大器和發射器、電源調節設備中的大功率轉換。
 
  3.3 雙極型載流子功率晶體管
  SiC雙極型功率器件BJT因SiC臨界雪崩擊穿電場強度是Si的10倍，而比Si BJT的二次擊穿臨界電流密度高100倍，不會有Si BJT那樣嚴峻的二次擊穿問題，此外，臨界雪崩擊穿電場強度高這一材料優勢也使SiC BJT在相同的阻斷電壓下可比Si BJT有較窄的基區和集電區，這對提高電流增益β和開關速度十分有利，SiC BJT主要分為外延發射極和離子注入發射極BJT，典型的電流增益在10～50之間。與碳化硅功率MOS相比，對3kV以上的阻斷電壓，碳化硅晶閘管的通態電流密度可以提高幾個數量級，特別適合高壓大電流開關方面的應用。對碳化硅晶閘管的開發主要集中于GTO，目前阻斷電壓最大的GTO器件，阻斷電壓為12.7kV。
 
  4. 結束語
  SiC材料的優良特性及SiC功率器件的巨大性能優勢，激勵著人們不斷地研究與開發，隨著大尺寸SiC晶圓生長技術和器件制造技術的的發展，SiC功率器件將在民用和軍事方面得到更廣泛的應用。



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