寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件

1、中國科學(xué)院微電子研究所中國科學(xué)院微電子研究所寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件研究研究主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、一、 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢二、二、 研究內(nèi)容、擬解決的技術(shù)難點和創(chuàng)新點研究內(nèi)容、擬解決的技術(shù)難點和創(chuàng)新點三、三、 研究目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)研究目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)四、四、 研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法、技術(shù)路線和可行性分析五、五、 年度進展安排年度進展安排寬禁帶半導(dǎo)體材料寬禁帶半導(dǎo)體材料優(yōu)越優(yōu)越的物理化學(xué)特性的物理化學(xué)特性表表 1 幾種幾種SiC 多型體及其它常見半導(dǎo)體材料的性能比較多型體及其它常見半導(dǎo)體材料的性能比較特征特征SiGaAs3C-SiC4H-S

2、iC6H-SiCGaN禁帶寬度禁帶寬度(eV)1.121.432.43.263.03.4相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)11.812.59.72109.669.5熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率(W/Kcm)1.50.543.23.74.91.3擊穿電場擊穿電場(106 V/cm)0.30.42.122.22.52.0電子遷移率電子遷移率(cm2/sV)1500880080010004001000空穴遷移率空穴遷移率(cm2/sV)42540040115100200最大電子飽和速度最大電子飽和速度(107cm/s)0.91.32.2222.5一、一、 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢器件產(chǎn)生的損耗減少器件產(chǎn)生的損

3、耗減少( (導(dǎo)通電阻減至數(shù)分之一導(dǎo)通電阻減至數(shù)分之一) 可高頻工作可高頻工作 可在高溫下工作可在高溫下工作熱導(dǎo)率約為熱導(dǎo)率約為Si的的3倍倍絕緣耐壓約為絕緣耐壓約為Si的的710倍倍電子飽和速度約為電子飽和速度約為Si的的2倍以上倍以上帶隙約為帶隙約為Si的的3倍倍熔點約為熔點約為Si的的2倍倍周邊部件尺寸減周邊部件尺寸減小小冷卻裝置尺寸減冷卻裝置尺寸減小或省去小或省去電力系統(tǒng)的精簡電力系統(tǒng)的精簡電力系統(tǒng)中電力電力系統(tǒng)中電力損耗的減少損耗的減少 效果效果與與Si器件的優(yōu)點器件的優(yōu)點SiCSiC功率器件與功率器件與SiSi器件相比的優(yōu)點器件相比的優(yōu)點一、一、 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與

4、趨勢表2 不同結(jié)構(gòu)的SiC 電力電子器件的特點及研究現(xiàn)狀器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)特點特點實驗室研究最高水平及商業(yè)化狀況實驗室研究最高水平及商業(yè)化狀況SiC 整整流流器器肖特基器肖特基器件（件（SBD）開關(guān)速度快開關(guān)速度快2003年，美國年，美國Rutgers大學(xué)報道了阻斷電壓超過大學(xué)報道了阻斷電壓超過10kV的的4H-SiC的肖特基器件，的肖特基器件，比比導(dǎo)通電阻為導(dǎo)通電阻為97.5 mcm2。已商業(yè)化。已商業(yè)化。PIN器件器件耐壓高于肖特基器件，耐壓高于肖特基器件，開關(guān)速度低于肖特基器開關(guān)速度低于肖特基器件件2001年，利用結(jié)終端延伸技術(shù)，日本報道了耐壓至年，利用結(jié)終端延伸技術(shù)，日本報道了耐壓至 1

5、9.5kV 的的 4H-SiC 的臺面型的臺面型 pin 二極管。二極管。結(jié)勢壘肖結(jié)勢壘肖特基器件特基器件（JBS）結(jié)合了結(jié)合了pn結(jié)和肖特基結(jié)結(jié)和肖特基結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，耐壓和開關(guān)構(gòu)的優(yōu)點，耐壓和開關(guān)速度介于兩者之間速度介于兩者之間2007年美國的年美國的Cree公司研制了公司研制了SiC 10 kV /20 A的結(jié)勢壘肖的結(jié)勢壘肖特基二極管。特基二極管。已有商業(yè)化樣品。已有商業(yè)化樣品。SiC單單極極型型開開關(guān)關(guān)MOSFET高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻通電阻2004 年，美國的年，美國的Cree公司報道阻斷電壓高達(dá)公司報道阻斷電壓高達(dá)10 kV，比導(dǎo)，比導(dǎo)通電阻為通電阻為123

6、mcm2的的4H-SiC DMOSFET。已有已有1200V /10、20 A的商業(yè)樣品。的商業(yè)樣品。JFET高速的開關(guān)性能高速的開關(guān)性能2004年，美國年，美國Rutgers大學(xué)報道擊穿電壓為大學(xué)報道擊穿電壓為11kV、比導(dǎo)通、比導(dǎo)通電阻為電阻為130mcm2的的SiC-JFET器件。器件。已有已有1200V和和1800V、15A30A的商業(yè)樣品。的商業(yè)樣品。SiC雙雙極極型型開開關(guān)關(guān)BJT開關(guān)速度與開關(guān)速度與MOSFET相相當(dāng)，驅(qū)動電路較當(dāng)，驅(qū)動電路較MOSFET器件復(fù)雜器件復(fù)雜2004年，美國年，美國Rutgers大學(xué)報道擊穿電壓為大學(xué)報道擊穿電壓為9.2 kV，比導(dǎo)通，比導(dǎo)通電阻為電阻

7、為33mcm2的的的的SiC BJT器件。器件。已有已有1200V/6、20A的商業(yè)樣品。的商業(yè)樣品。IGBT適合于中高壓等級適合于中高壓等級 2007年，年，Purdu大學(xué)研制了阻斷電壓高達(dá)大學(xué)研制了阻斷電壓高達(dá)20kV的的SiC P-IGBT。一、一、 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢電力電子器件的發(fā)展趨勢：一、一、 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢l 更大導(dǎo)通電流容量、更高阻斷電壓及更高功率容量；l 低通態(tài)電阻和低通態(tài)壓降；l 更快的開關(guān)速度和更高的工作頻率等方向發(fā)展。 3 研究內(nèi)容研究內(nèi)容（1）SiC電力電子器件的器件物理研究。電力電子器件的器件物理研究。包括SiC高壓

8、二極管及SiC-MOSFET晶體管的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，器件的耐壓解析模型的建立，場板、場限環(huán)及結(jié)終端延伸等終端保護技術(shù)在器件上的應(yīng)用與設(shè)計，完善寬禁帶SiC功率器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論等。（2）SiC電力電子器件制備的關(guān)鍵技術(shù)研究。電力電子器件制備的關(guān)鍵技術(shù)研究。包括SiC材料的歐姆接觸、肖特基接觸的研究，SiC離子注入及退火技術(shù)研究，SiC表面處理及高性能的氧化層制備技術(shù)研究，SiC材料的低損傷刻蝕技術(shù)研究，及其各關(guān)鍵工藝技術(shù)的整合等內(nèi)容。（3）器件的可靠性及失效機理研究。）器件的可靠性及失效機理研究。包括SiC電力電子器件反向漏電流機理研究，高溫下SiC材料的歐姆接觸、肖特基接觸、SiO2/SiC

9、界面態(tài)、SiC器件的導(dǎo)通、擊穿和開關(guān)速度等特性的可靠性研究等。SiC電力電子器件的主要研究內(nèi)容：電力電子器件的主要研究內(nèi)容： 3 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 二、二、 研究內(nèi)容、擬解決的技術(shù)難點研究內(nèi)容、擬解決的技術(shù)難點（1）器件的合理化設(shè)計。（2）SiC的熱氧化技術(shù)?？煽啃约笆C理研究。SiC材料的歐姆接觸，SiO2/SiC界面態(tài)，器件的導(dǎo)通、擊穿和開關(guān)速度等特性的可靠性研究。 SiC 離子注入以及摻雜離子激活在碳化硅器件研究中，摻雜注入要求在高溫注入之后高溫退火激活注入離子。對于離子注入的最大深度、最高濃度分布狀態(tài)以及標(biāo)準(zhǔn)偏差分布進行計算，在研究中采用相應(yīng)的注入能量、劑量，得到所需要的注入離子分布

10、狀態(tài)。與硅材料中摻雜離子基本處于激活態(tài)不同，碳化硅材料中的摻雜離子一般條件下只有部分處于激活狀態(tài)，并且其激活的比率與多種因素直接相關(guān)。在碳化硅材料中的注入離子激活能比較高，對于同一種離子，隨著注入離子濃度、注入能量的不同，離子在不同條件下激活之后可能產(chǎn)生不同的的深能級，形成不同導(dǎo)電類型的摻雜。因此，離子注入摻雜激活機理的研究對于實現(xiàn)設(shè)計的摻雜目的是必不可少的。擬解決的技術(shù)難點：擬解決的技術(shù)難點：三、三、 研究目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)研究目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)u SiC 功率二極管，器件的阻斷電壓大于4500V，最高正向?qū)娏鞑恍∮?00A，開關(guān)頻率不少于100kHz；u SiC 功率開關(guān)最高正向阻斷能力不低于

11、4500V，最高正向?qū)娏鞑簧儆?0A，開關(guān)頻率不少于100kHz；u 器件經(jīng)過高溫（200）反偏、溫度循環(huán)、功率循環(huán)、溫度和濕度試驗。研究目標(biāo)：研究目標(biāo)：SiC功率整流器和功率開關(guān)的研制技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)路線：技術(shù)路線：四、四、 研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法、技術(shù)路線和可行性分析器件的研制離子注入退火技術(shù)熱氧化技術(shù)歐姆接觸肖特基接觸器件的性能測試及分析高性能器件器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計外延材料生長器件結(jié)構(gòu)調(diào)整工藝分析和改進（1）SiC器件物理和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計研究方案。 建立SiC材料合理的參數(shù)模型，包括載流子統(tǒng)計模型、遷移率模型、復(fù)合率模型、碰撞電離模型和隧道效應(yīng)模型。對SiC肖特基結(jié)

12、勢壘二極管中的p利用仿真模擬軟件對SiC高壓二極管器件的能帶圖、電場分布等特性進行仿真計算，分析器件中載流子輸運機理，研究器件結(jié)構(gòu)及場板、場環(huán)和結(jié)終端延伸等不同終端保護技術(shù)對器件擊穿特性的影響機理，從而設(shè)計和優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，獲得合理化器件結(jié)構(gòu)。對于IGBT器件，影響器件的阻斷電壓的主要因素，包括漂移層的厚度和載流子濃度；影響器件通態(tài)壓降的因素，包括反型層溝道的遷移率、pnp晶體管的注入效率以及p型發(fā)射極的歐姆接觸電阻等；影響器件的開關(guān)速度的因素，包括基區(qū)的少子壽命，厚度和摻雜濃度等。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)計算工具、仿真模擬軟件等對SiC IGBT器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括阻擋層的厚度及摻雜濃度、漂移層的厚

13、度及摻雜濃度、溝道長度、發(fā)射區(qū)摻雜及深度、基區(qū)摻雜及深度等器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和SiC的材料參數(shù)，包括載流子壽命、界面態(tài)密度等，對IGBT器件內(nèi)部的能帶圖、電場分布，器件的轉(zhuǎn)移特性、輸出特性、擊穿電壓等靜態(tài)特性，開關(guān)速度等動態(tài)特性，進行模擬仿真，分析器件器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)對器件性能的影響機理；合理解決器件通態(tài)壓降與耐壓、開關(guān)速度的折中關(guān)系。四、四、 研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法：研究方法：（2）SiC器件制備關(guān)鍵技術(shù)研究方案。SiC的歐姆接觸的研究，通過快速熱退火技術(shù)、傳輸線模型技術(shù)、變溫I-V測試等技術(shù)，研究Ni、NiSi等金屬在n型SiC材料上的歐姆接觸

14、、研究Ti、Ni、Pt、SiAl等金屬在p型SiC材料的歐姆接觸特性及其形成機理的研究；利用Trim軟件模擬P、N、Al等離子注入在SiC中能量、深度、偏差和雜質(zhì)濃度分布，改變離子注入后雜質(zhì)激活退火的溫度、時間、氛圍、密封劑等工藝條件，研究離子注入形成歐姆接觸高摻雜區(qū)及終端保護技術(shù)的制備研究；利用變溫的I-V和C-V特性對Pd、Ni、Pt等金屬與SiC材料肖特基接觸進行研究，分析界面態(tài)對肖特基勢壘高度的影響，分析器件的反向漏電機理；通過改變刻蝕氣體的功率、流量配比等參數(shù)對SiC材料的刻蝕技術(shù)研究等。四、四、 研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法：研究方法：（2）

15、SiC器件制備關(guān)鍵技術(shù)研究方案。利用變溫I-V特性測試、表面成分分析測試等手段研究SiC歐姆接觸的高溫可靠性，分析歐姆接觸的對器件失效機理的影響。通過變溫I-V特性和變溫C-V特性的測量，研究SiC材料和界面態(tài)對器件的失效機理等影響。通過仿真模擬軟件研究不同溫度對器件的靜態(tài)和動態(tài)特性，和閂鎖效應(yīng)的影響。對器件的可靠性進行評估、對失效機理進行分析。四、四、 研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法：研究方法： 四四 研究基礎(chǔ)研究基礎(chǔ)l在在SiC器件的工藝方面的研究器件的工藝方面的研究l 已進行已進行SiC材料的刻蝕、減薄工藝，器件的設(shè)計與制備材料的刻蝕、減薄工藝，器件

16、的設(shè)計與制備等方面的研究。等方面的研究。中國科學(xué)院微電子研究所研究基礎(chǔ)：中國科學(xué)院微電子研究所研究基礎(chǔ)：不同不同Ni、Ti、Pt金屬體系的金屬體系的肖特基接觸；肖特基接觸；表面處理、肖特基金屬退表面處理、肖特基金屬退火等技術(shù)對肖特基勢壘的火等技術(shù)對肖特基勢壘的影響研究；影響研究；關(guān)于肖特基接觸可靠性的關(guān)于肖特基接觸可靠性的高溫存儲研究；高溫存儲研究；肖特基二極管反向泄漏電肖特基二極管反向泄漏電流的形成機理研究等。流的形成機理研究等。-20-15-10-50510-1010-910-810-710-610-510-410-310-2-20-15-10-5050.00000.00020.00040

17、.00060.00080.0010 Current (A)Voltage (V) Current (A)Voltage(V)肖特基二極管I-V特性謝 謝！ 四四 研究基礎(chǔ)研究基礎(chǔ)中國科學(xué)院微電子研究所研究基礎(chǔ)：中國科學(xué)院微電子研究所研究基礎(chǔ)： 開展了開展了SiC材料材料ICP刻蝕參數(shù)優(yōu)化、刻蝕掩模的確定及其選擇比優(yōu)刻蝕參數(shù)優(yōu)化、刻蝕掩模的確定及其選擇比優(yōu)化等刻蝕技術(shù)的研究?；瓤涛g技術(shù)的研究。l在在SiC器件的工藝方面的研究器件的工藝方面的研究l 已進行已進行SiC材料的刻蝕、減薄工藝，器件的設(shè)計與制備材料的刻蝕、減薄工藝，器件的設(shè)計與制備等方面的研究。等方面的研究。主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、一、

18、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢二、二、 研究內(nèi)容、擬解決的技術(shù)難點和創(chuàng)新點研究內(nèi)容、擬解決的技術(shù)難點和創(chuàng)新點三、三、 研究目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)研究目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)四、四、 研究方法、技術(shù)路線和可行性分析研究方法、技術(shù)路線和可行性分析五、五、 年度進展安排年度進展安排 對于IGBT器件，影響器件的阻斷電壓的主要因素，包括漂移層的厚度和載流子濃度；影響器件通態(tài)壓降的因素，包括反型層溝道的遷移率、pnp晶體管的注入效率以及p型發(fā)射極的歐姆接觸電阻等；影響器件的開關(guān)速度的因素，包括基區(qū)的少子壽命，厚度和摻雜濃度等。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)計算工具、仿真模擬軟件等對SiC IGBT器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括阻擋層的厚度及摻雜濃