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碳化硅材料的发展和优势

关键词:    发布时间:2022年3月4日   点击次数:493次
碳化硅早在 1842 年就被发现了,但因其制备时的工艺难度大,并且器件的成品率低,导致了价格较高,这影响了它的应用。直到 1955 年,生长高品质碳化硅的方法出现促进了 SiC 材料的发展,在航天、航空、雷达和核能开发的领域得到应用。1987 年,商业化生产的 SiC 进入市场,并应用于石油地热的勘探、变频空调的开发、平板电视的应用以及太阳能变换的领域。
碳化硅材料有很多优点,如禁带宽度很大、临界击穿场强很高、热导率很大、饱和电子漂移速度很高和介电常数很低如表 1-1。首先大的禁带宽度,如 4H-SiC其禁带宽度为 3.26 eV,是硅材料禁带宽度的三倍多,这使得器件能耐高温并且能发射蓝光;高的临界击穿场强,碳化硅的临界击穿场强 (2-4 MV/cm)很高,4H-SiC的临界击穿场强为 2.2 MV/cm,这要高出 Si 和 GaAs 一个数量级,所以碳化硅器件能够承受高的电压和大的功率;大的热导率,热导率是 Si 的 3.3 倍和 GaAs 的10 倍,热导率大,器件的导热性能就好,集成电路的集成度就可以提高,但散热系统却减少了,进而整机的体积也大大减小了;高的饱和电子漂移速度和低的介电常数能够允许器件工作在高频、高速下。但是值得注意的是碳化硅具有闪锌矿和纤锌矿结构,结构中每个原子都被四个异种原子包围,虽然 Si-C 原子结合为共价键,但硅原子 1.8 的负电性小于负电性为 2.6 的 C 原子,根据 Pauling 公式,离子键合作用贡献约占 12%,从而对载流子迁移率有一定的影响,据目前已发表的数据,各种碳化硅同素异形体中,轻掺杂的 3C-SiC 的载流子迁移率最高,与之相关的研究工作也较多,在较高纯的 3C-SiC 中,其电子迁移率可能会超过 1000 cm/(V.s),最高的跟硅也有一定的差距。 [1] 
与 Si 和 GaAs 相比,除个别参数外(迁移率),SiC 材料的电热学品质全面优于 Si 和 GaAs 等材料,仅次于金刚石。因此碳化硅器件在高频、大功率、耐高温、抗辐射等方面具有巨大的应用潜力,它可以在电力电子技术领域打破硅的极限,成为下一代电力电子器件。 [1] 

碳化硅功率器件的发展现状

碳化硅器件的出现大大的改善了半导体器件的性能,满足国民经济和国防建设的需要,目前,美国、德国、瑞典、日本等发达国家正竞相投入巨资对碳化硅材料和器件进行研究。美国国防部从 20 世纪 90 年代就开始支持碳化硅功率器件的研究,在 1992 年就成功研究出了阻断电压为 400 V 的肖特基二极管。碳化硅肖特基势垒二极管于 21 世纪初成为首例市场化的碳化硅电力电子器件。美国Semisouth 公司研制的 SiC SBD(100 A、600 V、300 ℃下工作)已经用在美国空军多电飞机。由碳化硅 SBD 构成的功率模块可在高温、高压、强辐射等恶劣条件下使用。目前反向阻断电压高达 1200 V 的系列产品,其额定电流可达到 20 A。碳化硅 SBD 的研发已经达到高压器件的水平,其阻断电压超过 10000 V,大电流器件通态电流达 130 A的水平。 [1] 
SiC PiN 的击穿电压很高,开关速度很快,重量很轻,并且体积很小,它在 3KV以上的整流器应用领域更加具有优势。2000年Cree公司研制出19.5 KV的台面PiN二极管,同一时期日本的 Sugawara 研究室也研究出了 12 KV 的台面 PiN 二极管。2005 年 Cree 公司报道了 10 KV、3.75 V、50 A 的 SiC PiN 二极管,其 10 KV/20 A PiN二极管系列的合格率已经达到 40%。
SiC MOSFET 的比导通电阻很低,工作频率很高,在高温下能够稳定的工作,它在功率器件领域很有应用前景。目前国际上报道的几种结构:UMOS、VDMOS、LDMOS、UMOS ACCUFET,以及 SIAFET 等。2008 年报道的双 RESURF 结构LDMOS,具有 1550 V 阻断电压. [1] 

2碳化硅肖特基二极管

 播报
SBD 在导通过程中没有额外载流子的注入和储存,因而反向恢复电流小,关断过程很快,开关损耗小。传统的硅肖特基二极管,由于所有金属与硅的功函数差都不很大,硅的肖特基势垒较低,硅 SBD 的反向漏电流偏大,阻断电压较低,只能用于一二百伏的低电压场合且不适合在 150 ℃以上工作。然而,碳化硅 SBD弥补了硅 SBD 的不足,许多金属,例如镍、金、钯、钛、钴等,都可以与碳化硅形成肖特基势垒高度 1 eV 以上的肖特基接触。据报道,Au/4H-SiC 接触的势垒高度可达到 1.73 eV,Ti/4H-SiC 接触的势垒比较低,但最高也可以达到 1.1 eV。6H-SiC与各种金属接触之间的肖特基势垒高度变化比较宽,最低只有 0.5 eV,最高可达1.7 eV。于是,SBD 成为人们开发碳化硅电力电子器件首先关注的对象。它是高压快速与低功率损耗、耐高温相结合的理想器件。目前国际上相继研制成功水平较高的多种类的碳化硅器件。 [1] 
SiC 肖特基势垒二极管在 1985 年问世,是 Yoshida 制作在 3C-SiC 上的,它的肖特基势垒高度用电容测量是 1.15 (±0.15) eV,用光响应测量是 1.11 (±0.03) eV,它的击穿电压只有8 V,第一只6H-SiC肖特基二极管的击穿电压大约有200 V,它是由 Glover. G. H 报道出来的。Bhatnagar 报道了第一个高压 400 V 6H-SiC 肖特基势垒二极管 ,这个二极管有低通态压降(1 V),没有反向恢复电流。随着碳化硅单晶、外延质量及碳化硅工艺水平不断地不断提高,越来越多性能优越的碳化硅肖特基二极管被报道。1993 年报道了第一只击穿电压超过 1000V的碳化硅肖特基二极管,该器件的肖特基接触金属是 Pd,它采用 N 型外延的掺杂浓度1×10cm,厚度是 10μm。高质量的4H-SiC单晶的在 1995 年左右出现,它比
6H-SiC的电子迁移率要高,临界击穿电场要大很多,这使得人们更倾向于研究4H-SiC的肖特基二极管。Ni/4H-SiC 肖特基二极管是在 1995年第一次被报道的,它采用的外延掺杂浓度为 1×1016 cm,厚度 10 μm,击穿电压达到 1000 V,在 100A/cm 时正向压降很低为 1.06 V,室温下比导通电阻很低,为 2×10 Ω·cm。2005 年 Tomonori Nakamura 等人用 Mo 做肖特基接触,击穿电压为 4.15 KV,比接触电阻为 9.07 mΩ·cm,并且随着退火温度的升高,该肖特基二极管的势垒高度也升高,在 600 ℃的退火温度下,其势垒高度为 1.21 eV,而理想因子很稳定,随着退火温度的升高理想因子没有多少变化。 J. H. Zhao 采用 N 型碳化硅外延,用多级结终端扩展技术制作出击穿电压高达10.8 KV Ni/4H-SiC 肖特基二极管,外延的掺杂浓度为 5.6×10cm,厚度为115μm,此肖特基二极管利用多级结终端扩展技术来保护肖特基结边缘以防止它提前击穿。 [1] 
国内的 SiC 功率器件研究方面因为受到 SiC 单晶材料和外延设备的限制起步比较晚,但是却紧紧跟踪国外碳化硅器件的发展形势。国家十分重视碳化硅材料及其器件的研究, 在国家的大力支持下经已经初步形成了研究 SiC 晶体生长、SiC器件设计和制造的队伍。电子科技大学致力于器件结构设计方面,在新结构、器件结终端和器件击穿机理方面做了很多的工作,并且提出宽禁带半导体器件优值理论和宽禁带半导体功率双极型晶体管特性理论。 [1] 
34H-SiC 结势垒肖特基二极管
功率二极管是功率半导体器件的重要组成部分,主要包括 PiN 二极管,肖特基势垒二极管和结势垒控制肖特基二极管。本章主要介绍了肖特基势垒的形成及其主要电流输运机理。并详细介绍了肖特基二极管和结势垒控制肖特基二极管的电学特性及其工作原理,为后两章对 4H-SiC JBS 器件电学特性的仿真研究奠定了理论基础。 [2] 
肖特基二极管
肖特基二极管是通过金属与N型半导体之间形成的接触势垒具有整流特性而制成的一种属-半导体器件。肖特基二极管的基本结构是重掺杂的N型4H-SiC片、4H-SiC外延层、肖基触层和欧姆接触层。由于电子迁移率比空穴高,采用N型Si 、SiC 或GaAs为材料,以获得良好的频率特性,肖特基接触金属一般选用金、钼、镍、铝等。金属-半导体器件和PiN结二极管类似,由于两者费米能级不同,金属与半导体材料交界处要形成空间电荷区和自建电场。在外加电压为零时,载流子的扩散运动与反向的漂移运动达到动态平衡,这时金属与N型4H-SiC半导体交界处形成一个接触势垒,这就是肖特基势垒。肖特基二极管就是依据此原理制作而成。 [2] 

肖特基接触

金属与半导体的功函数不同,电荷越过金属/半导体界面迁移,产生界面电场,半导体表面的能带发生弯曲,从而形成肖特基势垒,这就是肖特基接触。金属与半导体接触形成的整流特性有两种形式,一种是金属与 N 型半导体接触,且 N 型半导体的功函数小于金属的功函数;另一种是金属与 P 型半导体接触,且 P 型半导体的功函数大于金属的功函数。
金属与 N 型 4H-SiC 半导体体内含有大量的导电载流子。金属与 4H-SiC 半导体材料的接触仅有原子大小的数量级间距时,4H-SiC 半导体的费米能级大于金属的费米能级。此时 N 型 4H-SiC 半导体内部的电子浓度大于金属内部的电子浓度,两者接触后,导电载流子会从 N 型 4H-SiC 半导体迁移到金属内部,从而使 4H-SiC 带正电荷,而金属带负电荷。电子从 4H-SiC 向金属迁移,在金属与 4H-SiC 半导体的界面处形成空间电荷区和自建电场,并且耗尽区只落在 N 型 4H-SiC 半导体一侧,在此范围内的电阻较大,一般称作“阻挡层”。自建电场方向由 N 型 4H-SiC 内部指向金属,因为热电子发射引起的自建场增大,导致载流子的扩散运动与反向的漂移运动达到一个静态平衡,在金属与4H-SiC 交界面处形成一个表面势垒,称作肖特基势垒。4H-SiC 肖特基二极管就是依据这种原理制成的。 [2] 

肖特基势垒中载流子的输运机理

金属与半导体接触时,载流子流经肖特基势垒形成的电流主要有四种输运途径。这四种输运方式为:
1、N 型 4H-SiC 半导体导带中的载流子电子越过势垒顶部热发射到金属;
2、N 型 4H-SiC 半导体导带中的载流子电子以量子力学隧穿效应进入金属;
3、空间电荷区中空穴和电子的复合;
4、4H-SiC 半导体与金属由于空穴注入效应导致的的中性区复合。
载流子输运主要由前两种情况决定,第 1 种输运方式是 4H-SiC 半导体导带中的载流子越过势垒顶部热发射到金属进行电流输运,也就是整流接触。第 2 种输运方式又分成两个状况,随着 4H-SiC 半导体掺杂浓度的增加,耗尽层逐渐变薄,肖特基势垒也逐渐降低,4H-SiC 半导体导带中的载流子由隧穿效应进入到金属的几率变大。一种是4H-SiC 半导体的掺杂浓度非常大时,肖特基势垒变得很低,N 型 4H-SiC 半导体的载流子能量和半导体费米能级相近时的载流子以隧道越过势垒区,称为场发射。另一种是载流子在 4H-SiC 半导体导带的底部隧道穿过势垒区较难,而且也不用穿过势垒,载流子获得较大的能量时,载流子碰见一个相对较薄且能量较小的势垒时,载流子的隧道越过势垒的几率快速增加,这称为热电子场发射。 [2] 
反向截止特性
肖特基二极管的反向阻断特性较差,是受肖特基势垒变低的影响。为了获得高击穿电压,漂移区的掺杂浓度很低,因此势垒形成并不求助于减小 PN 结之间的间距。调整肖特基间距获得与 PiN 击穿电压接近的 JBS,但是 JBS 的高温漏电流大于 PiN,这是来源于肖特基区。JBS 反向偏置时,PN 结形成的耗尽区将会向沟道区扩散和交叠,从而在沟道区形成一个势垒,使耗尽层随着反向偏压的增加向衬底扩展。这个耗尽层将肖特基界面屏蔽于高场之外,避免了肖特基势垒降低效应,使反向漏电流密度大幅度减小。此时 JBS 类似于 PiN 管。反向漏电流的组成主要由两部分:一是来自肖特基势垒的注入;二是耗尽层产生电流和扩散电流。 [2] 
二次击穿
产生二次击穿的原因主要是半导体材料的晶格缺陷和管内结面不均匀等引起的。二次击穿的产生过程是:半导体结面上一些薄弱点电流密度的增加,导致这些薄弱点上的温度增加引起这些薄弱点上的电流密度越来越大,温度也越来越高,如此恶性循环引起过热点半导体材料的晶体熔化。此时在两电极之间形成较低阻的电流通道,电流密度骤增,导致肖特基二极管还未达到击穿电压值就已经损坏。因此二次击穿是不可逆的,是破坏性的。流经二极管的平均电流并未达到二次击穿的击穿电压值,但是功率二极管还是会产生二次击穿。 [2]



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