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
Journal of C AE I T
Vol .4No .2Ap r .2009
元器件专题
收稿日期:2009202204 修订日期:2009203219
宽禁带半导体S iC 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DARP A 的高功率电子器件应用宽禁带技术HPE 项目的发展,介绍了Si 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Si 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:T N31;T N387 文献标识码:A 文章编号:167325692(2009)022111208
Recen t Develop m en t and Future Perspecti ve of S ili con Carb i de
Power D ev i ces ———O pportun ity and Cha llenge
ZHANG Bo,DE NG Xiao 2chuan,ZHANG You 2run,L I Zhao 2ji
(State key Laborat ory of Electr onic Thin Fil m s and I ntegrated Devices,University of Electr onic Science and
Technol ogy of China,Chengdu 610054,China )
Abstract:Silicon carbide (Si C )is a typ ical material f or the 3rd generati on se m iconduct or .It is als o one of the most widely 2used and the best types of material f or the p r oducti on of wide band 2gap se m iconduc 2t ors,largely due t o advance ment in crystal gr o wth technol ogy,and the material πs high t olerance in ter m s of te mperature,frequency,radi oactivity,and power out put .The latest devel opment in Si C power device,the challenges and the future pers pectives involved,and relates the descri p ti on t o the research in the state 2of 2the 2art DARP A W ide Band 2gap Se m iconduct or Technol ogy (WBST )and the H igh Power Elec 2tr onics (HPE )p r ogra m are all described in this paper .Recent advances and the future pers pective of Si C devices in China are als o addressed .
Key words:wide bandgap;silicon carbide;power 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。Si 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Si C 功率器
件可显著降低电子设备的能耗,因此Si C 功率器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”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,depart 2ment of defense )就开始支持Si C 功率器件研究,Si 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
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400V 的6H 2Si C S BD (肖特基势垒二极管)[3]
。2001
年,Si C S BD 开始商业化,如美国Se m is outh 公司研制的100A 、600V 、300℃工作的Si C S BD 器件已应用于美国空军多电飞机(ME A,more electric aircraft )。Si C S BD 构成的功率转换模块可广泛应用于高压、高温、
强辐照等恶劣条件下工作的舰艇、飞机、火炮等军事设备的功率电子系统领域,以及混合动力车、燃料电池车、电动汽车等民用领域。
21世纪初,美国国防先进研究计划局(DAR 2P A )启动的宽禁带半导体技术计划(WBGSTI,wide bandgap se m iconduct or technol ogy initiative ),成为加速和改善Si C 、Ga N 等宽禁带材料和器件特性的重要“催化剂”,并极大地推动了宽禁带半导体技术的发展。它同时在全球范围内引发了激烈的竞争,欧洲ESCAPEE 和日本NE DO 也迅速开展了宽禁带半导体技术的研究。
著名的DARP A -WBGSTI 计划包括两个阶段(Phase I 和Phase II ),Phase I 为“射频/微波/毫米波应用宽禁带技术(RF WBGS,RF /m icr o wave /m illi m eter 2wave technol ogy )”,Phase II 为“高功率电子器件应用
宽禁带技术(HPE,high power electr onics )”[4,5]
。尽管前几年Si C MESFETs 器件发展非常成熟,如Cree 公司10W 和60W 的A /AB 类放大器产品已经实用化,提供Si C MM I C 制程服务,并且已正式装备美国海军的新一代预警机E2D 。但是,最近两年Ga N 材料发展迅速,Ga N HE MT 器件正在冲击Si C MESFETs 的应用领域。两者虽然都是高压低电流功率器件,而Ga N 的工作频率和输出功率密度远高于Si C MESFETs 器件。2007年以来,Cree 等公司推出一系列(10W ～120W )Ga N HE MT 产品,并且也开始提供Ga N MM I C 产品和制程服务。从RF WBGS 计划的第二阶段(2005～2007年),DARP A 开始重点转向Ga N 基高可靠、高性能微波与毫米波器件和MM I C 电路的研究,逐步削减Si C MESFETs 器件项目,将Si C 研究重点放在HPE 计划,即在大功率、高温、强辐照等恶劣条件下工作的Si C 功率器件及电路。Cree 、APT 和Se m i 2s outh 公司也纷纷调整相应的Si C 研究计划,2006年后新扩建厂房均以生产Si C 功率器件为主,雷达及通信用MESFETs 器件为辅。
美国DARP A 高功率电子器件应用计划———HPE 的目标有四个(如图1所示),即,大尺寸高质量Si C 导电衬底和轻掺杂的厚外延材料生长技术;10～20kV 的Si C 功率器件(Pi N 、MOSFET 和I G BT 等)制造技术;大功率Si C 器件的测试、可靠性和封
装技术;集成Si C 功率器件模块的2.7MVA 固态功
率变电站(SSPS,s olid state power substati on )技术。
图1 DARPA W BST -HPE 计划
HPE 计划分四个阶段进行,具体时间节点如图1(b )所示。在第一阶段(2003～2004年),商品化
的Si C 衬底的直径已由2in 增加到3in 。2007年5
月份,Cree 公司推出零微管缺陷(Z MPT M ,zer o 2m i 2cr op i pe ),直径为100mm (4in )的N 型4H 2Si C 导电衬底。第一阶段的成功实施为计划顺利进行奠定了坚实基础。第二阶段(2005～2006年)是研制Si C 大功率器件、器件封装测试及SSPS 的前期研究。第三阶段(2007～2008年)是实现高可靠、高性能Si C 功率器件的小批量生产,并完成模块的封装测试,同时要完成SSPS 的实验室样品。SSPS 主要应用于美国下一代航空母舰C VN 221的电磁弹射系统(E MLS,electr o magnetic launch syste m )。CVN 221是第一艘配备电磁弹射系统的航母,四个电磁弹射系统均靠电力驱动,能在300ft 的距离内把飞机速度提高到160kn 。预计采用全Si C 功率器件模块将使传统低频(60Hz )变压器转变为高频(20kHz )固态功率变电站,每个变压器的重量将从6t 减少为1.7t,体积
从10m 3减少为2.7m 3
,固定的单个输出端变成多输出端接口。第四阶段在2009～2010年进行,将研制成功SSPS,并在舰船系统中演示其应用。
DARP A 的HPE 计划对于我国Si C 功率器件及
电路的发展具有非常重要的参考意义。宽禁带半导体Si C 功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为
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国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。
2 Si C功率半导体器件发展现状
2.1 Si C功率整流器
功率整流器是功率半导体器件的重要分支,主
要包括肖特基势垒二极管(S BD,schottky barrier di2
ode),Pi N二极管和结势垒肖特基二极管(JBS,junc2
ti on barrier schottky di ode)。
目前,商业化的Si C整流器主要是肖特基二极管,
Cree(最大额定电流50A,最高反向击穿电压1200V)、
M icr ose m i(额定电流4A,反向击穿电压600V)和I n2
fineon(额定电流15A,反向击穿电压1200V)等公司
已经将Si C S BD添加到他们的产品系列中。最近几
年,许多公司已在Si2I G BT变频或逆变装置中用Si C
S BD替换Si快恢复二极管[6],显著提高了工作频率、大
幅度降低了开关损耗,总体效益远远超过Si C器件与
Si器件的价差。2003年美国Rutgers大学研制出阻断
电压10.8k V,导通电阻97mΩ?c m2Si C S BD二极
管[7]。日本东芝公司在2008年报道了接近4H2Si C
材料极限水平的Super2S BD,如图2所示。该器件采
用浮空结技术获得2.57mΩ?c m2超低导通电阻和
2.7k V阻断电压,品质因子为2837MW/c m2[8]。
图2 S i C Super2SB D结构示意图
对于3k V以上的整流器应用领域,Si C Pi N二
极管由于比Si Pi N具有更高的击穿电压、更快的开
关速度及更小的体积和更轻的重量而备受关注。
2000年日本的Suga wara研究室和Cree公司研制出
12kV和19.5k V的台面型Pi N二极管[9]。对于
19.5k V的Si C Pi N二极管,其正向压降为7.5V(电
流密度100A/c m2);击穿时的泄漏电流密度为
3mA/c m2;反向恢复时间小于43ns,只有商业化
6kV Si快恢复二极管的1/30。2005年Cree公司报
道了10k V,3.75V,50A(8.7mm×8.7mm2)Si C Pi N
二极管,其10k V/20A Pi N二极管系列的合格率已
经达到40%,特性如图3所示[10]。
图3 10kV S i C P i N二极管
在高工作频率下,Si C Pi N二极管反向恢复时能量
损耗比较大,因此既具有肖特基二极管优良开关特性,
又有接近Pi N二极管高阻断能力的Si C JBS二极管就
很有吸引力,但是由于制造工艺复杂,成品率还需要
进一步提高。2007年Cree公司报道了10kV/20A
的Si C JBS二极管(如图4所示),芯片尺寸为14.9×
10.6mm2,在3in N型4H2Si C晶圆上的合格率为
37%,10k V/5A Si C JBS的合格率超过40%[10]。
图4 10kV S i C JBS二极管
目前对于Si C整流器的研究,一方面是对已有
器件继续进行优化,使其能满足军事和商业应用;另
一方面继续开发更低导通压降,更小芯片面积和更
高工作温度的器件。
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2.2 Si C 单极型功率晶体管
在半导体功率开关器件中,多子导电的单极型功率晶体管(MOSFET 、JFET 和SI T 等)显著地减小了开关时间,因而很容易达到100kHz 的开关频率。SiMOSFET 在高压应用时,最大缺点是导通电阻随
耐压的2.5次方急剧上升,给应用带来很大困难。由于Si C 材料优良物理特性,以及与Si 类似,能够热生长出稳定氧化物的特点,所以Si C MOSFET 就具有低比导通电阻,高工作频率和高温工作稳定性的优点,在功率器件领域具有很广阔的应用前景。
目前Si C MOSFET 发展迅速,国际上报道了多种Si C MOSFET 结构:U MOS 、VD MOS 、LD MOS (lateral double 2diffusi on MOSFET )、U MOS ACC UFET (U MOS accu mulati on channel field effect transist or ),以及SI A FET (static inducti on injected accu mulated field effect transist or )等。Sei 2Hyung Ryu 等人报道了
10k V,比导通电阻为123m
Ω?c m 2的4H 2Si C D MOS,n -区杂质浓度和厚度分别为8×1014
c m -3
和
85μm
[11]
。2007年Cree 公司报道在3in 4H 2Si C 晶圆
上制作出芯片尺寸为8.11×8.11mm 2
的10k V /20A
D MOS,在25℃下的开关速度为75ns,已经应用在20
kHz 的10k V 半H 桥的模块中[10]
,如图5所示。
图5 10kV 4H 2S i C DMO SFET
2008年日本京都大学报道了双RES URF 结构LD 2
MOS,它具有1550V 阻断电压和54m
Ω?c m 2
比导通电阻,品质因子为44M W /c m 2(V b 2/R on )[12]
,如图6所示。作为没有肖特基接触和MOS 界面的单极器件JFET,由于采用p -n 结栅极,因此避免了Si C MOSFET 存在的低反型层沟道迁移率和Si O 2层可靠性低的问题。Si C JFET 功率开关已成为Si C 单极功率器件的热点研究领域,美国Rutgers 大学报道的常关型Ti 2VJFET
器件的阻断电压已达到11k V,比导通电阻130m
Ω?c m 2,品质因子930M W /c m 2,如图7所示[13]
。
静电感应晶体管(SI T,static inducti on transist ors )是一种由p -n 结栅或肖特基结栅控制的多子导电器件,除了应用在微波功率器件的低频领域(UHF -
C 波段)外,还是目前市场上惟一销售的Si C 开关元
件。该Si C SI T 器件耐压为1200V ,导通电阻为
12m
Ω?c m 2。在2006年,日本研究小组成功试制出具有p +
栅极区结构的静电感应晶体管(埋栅Si C 2SI T ),如图8所示。器件阻断电压为700V,导通电
阻为1.01m
Ω?c m 2,在耐压为600V ～1200V 的开关元件中,实现了全球最小导通电阻
[14]
。
图8 埋栅4H 2Si C SI T
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2.3 Si C双极型载流子功率器件
Si C双极型载流子功率器件BJT、GT O和I G BT也
取得了很大进展。与Si双极型晶体管相比,Si C双极
型晶体管具有低20～50倍的开关损耗及更低的导通
压降。对于Si BJT功率器件,二次击穿现象很严重。
然而Si C BJT功率器件由于二次击穿的临界电流密度
大约是Si的100倍,因此二次击穿已经不再是影响
BJT性能的关键问题。同时,由于Si C临界击穿电场
大,Si C BJT的基极和集电极可以很薄,从而提高了器
件的电流增益和开关速度。
2004年美国Rutgers大学和USC I公司联合成功
研制阻断电压9.28k V,比导通电阻49mΩ?c m2,电
流增益7的4H2Si C BJT,如图9所示[15]。Cree公司
报道了电流增益44,阻断电压3.2k V,比导通电阻
8.1mΩ?c m2的4H2Si C BJT[16]。M.Domeij等测试
结果显示,当击穿电压达到1100V时,Si C BJT电
流增益可以突破60,在脉冲模式下电流增益甚至超
过了90[17]。目前,Si C BJT主要分为外延发射极和
离子注入发射极BJT,典型的电流增益在10～50之
间。与MOSFET相比较,BJT的驱动电路较为复杂,
但是和JFET器件相比,其制作工艺简单。
图9 4H2S i C BJT
Y.Suga wara等人报道了目前为止阻断电压最
大的GT O器件,击穿电压12.7kV,比导通电阻
35.2mΩ?c m2[18]。2004年Cree公司与日本关西
电力公司(KEPCO)联合推出阻断电压为4.5k V、
60A容量的GT O,其开关速度小于2μs,比同等类
型Si GT O的速度快10倍以上,并且不需要保护用
的缓冲电路。在Si C I G BT方面,Q.Zhang等报道了
10k V UMOS4H2Si C I G BT,在25℃,-7.5V开启
电压下,比导通电阻为175mΩ?c m2[19]。2007年,
Purdu大学研制了阻断电压高达20k V的Si C P2I G2
BT,P-区厚175μm[20]。同年Cree公司也报道了
12k V的Si C N2I G BT[10],与Si2I G BT的开态特性对
比如图10所示。
图10 12kV4H2S i C N2I GBT开态特性
3 Si C功率器件发展机遇与挑战
近年来,Si功率器件结构设计和制造工艺日趋
完善,已经接近其材料特性决定的理论极限,依靠Si
器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有
限。随着Si C衬底材料和器件制造工艺如:外延、欧
姆接触、氧化及反应离子刻蚀(R I E)等技术上取得
重大进展,Si C在各类新材料中脱颖而出,各种Si C
功率器件的研究和开发蓬勃开展起来。
3.1 Si C材料和设备
Si C衬底材料近几年已取得突破性进展,美国
Cree公司2～4in Si C单晶片已经商业化,并计划于
2009～2010年开始供应6in(150mm)的Si C衬底。
由于6in是现有使用Si功率器件量产所用尺寸,因
此备受众多元器件厂商期待。此外,Cree公司在
2007国际碳化硅及相关材料会议(I CSCR M2007)上
报道,对于引起元件成品率下降的“贯通螺旋位错
缺陷(threading scre w disl ocati on)”,在3in晶圆的情
况下,Cree公司将其平均削减到375个/c m2,最好
数据可达175个/c m2,这意味着在生产耐压10k V
级别的Si C二极管时,具有61.5%成品率。与此同
时,设备厂商也开始支持Si C材料,如日本爱发科公
司(ULVAC)2005年就推出了Si C材料量产用离子
注入设备,近年来开始致力于可同时处理10片以上
6in Si C衬底的高温退火设备的产品化。
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3.2 Si C 器件应用
目前,尽管产量、成本及可靠性等问题仍对Si C 功率器件商品化有所限制,但Si C 器件替代Si 器件的过程已经开始。国际上许多公司和大学正在致力于Si C 功率器件的研究,在整流器、双极晶体管及MOSFET 等多种类型功率开关器件方面取得了令人瞩目的进展。据法国Yole Devel oppe ment 市场调查公司2008年的预测,到2015年Si C 器件市场的规模将超过8亿美元,如图11所示。
图11 S i C 功率器件市场预测
现在Cree 公司已建立Si C 器件及M M I C 晶圆代工
厂,并出售高功率Si C 器件。Si C S BD 的开关频率从150kHz 提高到500kHz,开关损耗极小,适用于频率极
高的电源产品,如电信部门的高档PC 及服务器电源。若器件售价从每安培的0.5美元下降到0.2美元,可进入大批量的低档PC 市场。10k V /50A 的Pi N 二极管和10k V 的Si C MOSFET 的市场目标是10k V 与110A 的模块,可用于海军舰艇的电气设备、效率更高和切换更快的电网系统,以及电力设备的变换器件。Si C MOSFET 更关注于混合燃料电动车辆的电源与太阳能
模块。在I CS CR M07上,日本丰田汽车公司表示,将在其新一代混合动力汽车中采用Si C 器件技术,最早可能在2010年商业化。丰田公司的强势介入,无疑给目前进展缓慢的Si C 领域注入了强心剂。
3.3 Si C 功率器件发展挑战
尽管Si C 功率器件取得了令人鼓舞的进展,已经有了许多实验室产品,而且部分产品已经进入市场,但是目前存在的几个主要市场和技术挑战限制了其商业化进程的进一步发展。距Si C 产品的大规模应用阶段还需做大量的工作。
在商业化市场方面:①昂贵的Si C 单晶材料。由于目前世界上仅有寥寥数家公司能够提供Si C 单
晶片,包括领头羊美国Cree 公司,道康宁(DowCorn 2ing )公司和欧洲Si Crystal 公司等。但由于Cree 公司技术性垄断,2006年一片2in Si C 单晶片的售价
高达500美元,然而相应的4in Si 片售价仅为7美元。如此昂贵的Si C 单晶片已经严重阻碍了Si C 器件进入民用功率半导体市场。②Cree 公司的技术垄断。由于Cree 公司在世界各国申请了许多专利,严重制约了其他公司在Si C 领域的发展。Cree 公司于2006年初以两千万美元收购了另外一家以1/10价格出售Si C 单晶片的I ntrinsic 公司,保持自己的垄断地位。然而由于市场迟迟不能打开,Cree 公司近几年的成长速度明显放慢。
在技术挑战方面:①Si C 单晶材料,包括缺陷密度的降低和消除,以及单晶片尺寸的增加。在导致Si C 功率半导体性能和可靠性下降的致命缺陷微管密
度降低和消除方面近年来取得很大进展,Cree 公司在2007年开始供应零微管(zer o m icr op i pes )密度的4in Si C 单晶片。目前材料缺陷的研究重点转为位错缺陷(scre w disl ocati on 、basal p lane disl ocati ons 、edge disl o 2
cati on )等其他缺陷对元件特性造成的影响。②Si C
器件可靠性问题。Si C MOSFET 器件目前存在两个主
要技术难点没有完全突破:低反型层沟道迁移率和高温、高电场下栅氧可靠性。目前报道的4H 2Si C MOS 2FET 的反型层沟道迁移率在30～170c m 2
/V ?s,与Si MOSFET 相比,体现不出Si C MOSFET 的优势。为此,
必须通过特殊栅氧化工艺(如:H 2气氛中的氧化后退火、在NO 或N 2O 气氛中进行栅氧化或退火等)消除Si C /Si O 2界面缺陷来提高反型层沟道迁移率。对于Si C BJT 功率器件,现在急需解决的是电流增益退化
问题。造成电流增益不稳定性的原因目前仍不清楚,其中一种可能性是由于外延基区内的堆垛层错所引起。③大功率Si C 器件封装问题。当Si C 材料和工艺问题基本解决以后,器件封装的可靠性问题将上升为影响高温Si C 电路性能的主要因素。
4 国内Si C 器件研究现状及发展方向
4.1 研究现状
由于受限于Si C 单晶材料和外延设备,国内在Si C 功率器件方面的实验研究起步较晚,但我国一
直在跟踪国外Si C 宽禁带半导体的发展。在国家重点基础研究发展计划(973计划)和高技术研究发展计划(863计划)的支持下,先后启动了“宽禁带半导体XXX 基础研究”、“Si C 高频高温功率器件”和“Si C 单晶衬底制备”项目的研究。特别是在“宽禁带半导体XXX 基础研究”项目的推动下,国内已经
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初步形成集Si C晶体生长(中电46所、山东大学和中科院物理所等)、Si C器件结构设计(电子科技大学和西安电子科技大学等)、Si C器件制造(中电13所、55所和西安电子科技大学等)为一体的产学研齐全的Si C器件研发队伍。
在Si C器件结构设计方面,电子科技大学功率集成技术实验室一直致力于大功率器件研究,在Si C器件新结构、击穿机理、结终端技术等方面作了大量工作。在Si C功率器件方面,在国际上首先提出二项宽禁带半导体器件新理论: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,获得众多国际知名学者认同及引用[21,22]。同时提出了基区具有埋P层的高增益Si C BJT器件新结构,并进行了Si C表面氢化模型和氢化技术研究。在Si C微波功率器件方面,提出了Si C MESFETs器件三维凹栅及耐压新结构,并进行了大栅宽Si C MESFETs器件三维电热解析模型及Si C表面陷阱效应的研究[23～26]。
在Si C器件制造方面,现阶段国内已具备自主生长Si C外延的能力,并取得了可喜成果。基于国产Si C 外延材料的不同功率密度Si C MESFETs相继问世,从一定程度上验证了国产Si C外延材料、器件设计和制作工艺的实用性[27～29]。由中国电子科技集团13所研制,电子科技大学参与设计的小栅宽Si C MESFETs器件在2G Hz下,输出功率密度达到8.9W/mm[30]。中国电子科技集团55所在2008年报道了4个20mm 栅宽Si C MESFETs器件合成的Si C功率管,在2G Hz 下,脉冲输出功率大于280W,功率增益为8.6d B[28]。在Si C整流器方面,中国电子科技集团13所、55所、电子科技大学、西安电子科技大学等单位都研制出600V～1200V的Si C S BD试样。
4.2 发展方向
单就Si器件和Si C器件的成本来看,价格相差比较大。但如果从Si C器件带来的系统性能提升来看,其带来的总体效益远远超过两类器件的价差。特别在高压复杂环境应用中,Si C器件的优势表现得非常明显。目前国内在Si C器件方面的研究主要还是集中在微波功率器件领域,并取得了显著的进展。但在Si C材料另一个重要发展方向-功率器件领域,即Si C电力电子器件方面,我国的研究几乎还是空白。基于Si C材料的特点和目前国际上Si C功率器件的发展趋势和应用前景,国内应该在稳步发展以雷达应用为背景的Si C MESFETs的同时,加快具有更广泛应用领域的Si C功率器件的研究和投入。
由于Si C功率整流器结构相对简单,特别是Si C S BD器件已经比较成熟,因此针对国内Si C器件研究水平,我们认为应优先大力发展Si C整流器(包括:S BD、JBS、Pi N),从器件结构设计和耐压机理分析入手,寻找快速跟进国外同类器件性能的有效途径,加快国内Si C整流器实用化进程。虽然国际上对Si C MOSFET器件市场化寄予厚望,但由于它存在的低反型层沟道迁移率和高温、高电场下栅氧可靠性差的技术难题一直没有获得突破,实用化前景还不明朗。从国际上Si C功率器件当前研究现状分析,目前最可能实用化的器件是没有肖特基接触和MOS界面的Si C JFET和Si C BJT器件。因此国内也应加大对Si C JFET和BJT器件的研究,重点突破Si C材料离子注入、氧化、深槽刻蚀等工艺,以及新结构的设计优化。对于Si C MOSFET和I G BT器件,国内的研究基础还很薄弱,我们应加快工艺和理论研究,特别是薄栅氧的工艺及理论,为未来Si C MOSFET和I G BT器件发展打好基础。虽然Si C器件工艺在不断成熟,然而目前Si C器件和电路的性能不够优越,除了Si C材料和器件工艺需要不断提高外,特别是在国内目前工艺条件下,更多的努力应该放在如何通过优化Si C器件结构或者提出新型Si C器件结构以充分发挥Si C材料的优势。
5 结 语
Si C功率器件的应用不仅会显著改善海军舰艇、飞机及智能武器电磁炮等众多军用系统的性能,也将使民用混合动力车辆、列车牵引设备,以及高压直流输电设备等受益匪浅。目前国际上Si C功率器件面临的技术难度正在逐步降低,只要Si C功率器件可靠性问题解决,随着大尺寸Si C器件的发展,价格最终不会成为制约的瓶颈。随着美国国防先进研究计划局宽禁带半导体技术计划的大功率电子器件应用宽禁带技术的不断发展和Si C功率器件在民用领域,特别是电动汽车领域的推广应用,相信下一个十年Si C 功率器件会大量应用于军事和民用的各个领域。
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作者简介
张 波(1964-),男,重庆江津人,教授,博士生导师,电子科技大学微电子与固体电子学院副院长,主要研究方向为功率半导体技术,E 2mail:zhangbo @
uestc .edu .cn;
邓小川(1974-),男,四川大竹人,博士,讲师,主要研究方向为宽禁带半导体Si C 功率器件;
张有润(1980-),男,安徽合肥人,电子科技大学博士研究生,主要研究方向为宽禁带半导体Si C 功率器件;
李肇基(1940-),男,四川内江人,教授,博士生导师,主要研究方向为半导体功率器件及物理。
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