寬禁帶功率MOSFET半導(dǎo)體器件的研究進(jìn)展

1、寬禁帶功率MOSFET半導(dǎo)體器件的研究進(jìn)展半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，功率半導(dǎo)體器件得到長(zhǎng)足發(fā)展，極大地促進(jìn)了電力電子技術(shù)的進(jìn)步，而功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展主要基于整個(gè)微電子領(lǐng)域的基石硅材料。19世紀(jì)80年代以來(lái)，硅材料本身的物理特性對(duì)硅基功率器件性能的限制被認(rèn)識(shí)得越來(lái)越清晰。實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻的方法是提高材料的臨界擊穿電場(chǎng)，也就是選擇寬禁帶的半導(dǎo)體材料。根據(jù)更符合實(shí)際應(yīng)用，以及綜合考慮功率器件的導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和芯片面積等因素的估算，碳化硅、氮化鎵和金剛石功率器件大大降低了損耗和器件面積，新型寬禁帶半導(dǎo)體材料將引發(fā)功率器件的巨大進(jìn)步。同時(shí)，以碳化硅、氮化鎵和金剛石為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料具有較大的電子飽和速度，

2、可以應(yīng)用于射頻器件領(lǐng)域。碳化硅和金剛石具有較高的熱導(dǎo)率，適用于對(duì)需要耗散較大功率并且半導(dǎo)體芯片熱阻是系統(tǒng)熱阻一個(gè)重要組成部分的大功率應(yīng)用領(lǐng)域?；诓牧系膬?yōu)越性能，寬禁帶半導(dǎo)體功率器件受到廣泛關(guān)注和深入研究。由于其器件性能的優(yōu)勢(shì)基本來(lái)源于材料本身，所以寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究是新型功率器件研究首先要面臨的挑戰(zhàn)。碳化硅SiC、氮化鎵GaN和金剛石是典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料?；谔蓟璨牧系墓β势骷?jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間研究，已經(jīng)具有較高的成熟度和可靠性。2004年，Cree公司成功研發(fā)微管密度低于10cm-2的高質(zhì)量3英寸4H-SiC材料，并投放市場(chǎng)。2007年，該公司又推出了4英寸零微管密度的4H-SiC材料

3、，可用于制作大尺寸的高功率器件。目前Cree公司、II-VI公司、Dow Corning公司和Nippon Steel已經(jīng)批量生產(chǎn)4英寸碳化硅晶圓。2010年業(yè)界發(fā)布了6英寸的碳化硅晶圓。150mm的晶圓毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)降低碳化硅器件制造成本，并且為4H-SiC功率器件的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2.1 碳化硅功率二極管碳化硅功率二極管有三種類型：肖特基二極管（SBD）、P-i-N二極管和結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二極管（JBS）。由于存在肖特基勢(shì)壘，SBD具有較低的結(jié)勢(shì)壘高度。因此，SBD具有低正向電壓（范圍從0.7V 到1.5V，取決于肖特基的金屬材料及器件加工工藝）的優(yōu)勢(shì)

4、。但是，具有低正向?qū)妷旱男ぬ鼗鶆?shì)壘通常會(huì)導(dǎo)致較高的反向漏電流。值得注意的是，因?yàn)橐环N“鏡像力”,其中一種需要進(jìn)行外延重生長(zhǎng)技術(shù)而另外一種不需要。外延重生技術(shù)的使用范圍有限并且穩(wěn)定性差，而第二種技術(shù)存在以下的問(wèn)題：為了能夠獲得性能良好、均勻的柵極閾值電壓，器件的臺(tái)面寬度和JFET的溝道寬度需達(dá)到亞微米的精確度，對(duì)深層各向異性刻蝕工藝的要求較高。在工藝允許的范圍內(nèi)，常斷型碳化硅JFET器件由于溝道較長(zhǎng)較窄而具有較大的導(dǎo)通電阻。此外，碳化硅JFET的柵極電壓需要在2.7V以下，以在保證器件導(dǎo)通的同時(shí)避免較大的柵極驅(qū)動(dòng)電流。如果閾值電壓為正值，通過(guò)柵極過(guò)偏置來(lái)實(shí)現(xiàn)低的通態(tài)阻抗的空間被降到最低，因此

5、大大降低碳化硅JFET器件的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。因此出現(xiàn)了另一種解決碳化硅JFET閾值電壓?jiǎn)栴}的方法級(jí)聯(lián)。碳化硅高壓JFET通常需要-20V-10V的閾值電壓，而具有標(biāo)準(zhǔn)閾值電壓的低壓MOSFET器件可以阻斷30V左右的電壓。這個(gè)電路組合具有標(biāo)準(zhǔn)功率MOSFET相同的門極驅(qū)動(dòng)特性，也具有高壓碳化硅JFET器件的電流電壓特性。此外，由于碳化硅JFET器件的柵極與MOSFET器件柵極的耦合和碳化硅JFET中的柵源電容減小，米勒效應(yīng)被極大地削弱，大大提高器件的開關(guān)特性，其開關(guān)時(shí)間僅由負(fù)載電流和電路寄生效應(yīng)決定。由于其常通特性，碳化硅JFET比別的器件更適合用為限流器件。目前，已由報(bào)道可以實(shí)現(xiàn)阻斷電壓

6、高達(dá)11kV，比導(dǎo)通電阻為168 m cm2的碳化硅JFET器件。有研究報(bào)道在使用掩埋柵極結(jié)構(gòu)和額外的襯底工藝后，器件處于700V的漏源電流時(shí)可以獲得1.0 m cm2的低比導(dǎo)通電阻。目前Semisouth公司推出了阻斷電壓1.2kV，通態(tài)比電阻63m cm2的碳化硅JFET器件，SiCED公司的碳化硅JFET器件阻斷電壓范圍在800V至1.8kV，比導(dǎo)通電阻低至80 m cm2。2.4 碳化硅功率MOSFET器件功率MOSFET器件具有理想的柵極電阻、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性。在300V以下的功率器件

7、領(lǐng)域，硅MOSFET是首選的器件。研究人員認(rèn)為，碳化硅MOSFET器件在3kV5 kV領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)優(yōu)勢(shì)地位，因此，碳化硅功率開關(guān)器件的主要研究工作是針對(duì)基于碳化硅功率MOSFET器件。碳化硅功率MOSFET面臨的兩個(gè)主要問(wèn)題是器件在阻斷狀態(tài)時(shí)柵氧層的擊穿問(wèn)題和溝道電阻問(wèn)題。因?yàn)樘蓟璧难┍罁舸╇妶?chǎng)很高，柵氧層將在碳化硅材料尚遠(yuǎn)未達(dá)到雪崩電場(chǎng)的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)可靠性問(wèn)題，這嚴(yán)重限制了碳化硅功率MOSFET的阻斷電壓。碳化硅MOSFET中由于材料中有碳原子，熱氧化生長(zhǎng)的柵氧層存在大量的表面態(tài)，并產(chǎn)生大量的陷阱，使得溝道電子的遷移率下降到最低10cm2/Vs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硅中的電子遷移率，增加了MO

8、SFET的溝道電阻，嚴(yán)重制約了碳化硅MOSFET的性能的提高。同時(shí)，柵氧層大量表面態(tài)和陷阱將大大影響器件的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。近年來(lái)，有大量的研究針對(duì)改善碳化硅MOSFET柵氧層的問(wèn)題。第一個(gè)方法是在氮?dú)庵袑?duì)熱生長(zhǎng)的柵氧層進(jìn)行退火，包括在NO和N2O氣體中的退火。這個(gè)方法可以降低碳化硅MOSFET柵氧層中界面態(tài)的密度，顯著提高M(jìn)OSFET溝道電子遷移率。有報(bào)道1.2V的碳化硅MOSFET器件，比導(dǎo)通電阻達(dá)到5m cm2，其性能達(dá)到碳化硅的其他類型功率開關(guān)器件的水平。第二個(gè)方法是適用碳化硅的<1120 >晶面來(lái)制作其柵氧層。第三個(gè)方法是在富鈉的環(huán)境中生長(zhǎng)碳化硅MO

9、SFET的柵氧化層，其溝道電子遷移率達(dá)到200 cm2/Vs，這個(gè)方法由于器件的穩(wěn)定性方面的不確定性而不被廣泛采用。在雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（DMOSFET）中， MOSFET的P體區(qū)是注入生成的，而在注入的P體區(qū)上生長(zhǎng)熱氧化層將比在外延層上生長(zhǎng)熱氧化層具有更大的挑戰(zhàn)，所以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻的碳化硅MOSFET將遇到更多困難。然而，碳化硅MOSFET器件的研發(fā)還是取得了顯著進(jìn)展，已有研究結(jié)果報(bào)道了具有較大的電壓電流能力的碳化硅MOSFET器件。美國(guó)Cree公司報(bào)道了×，阻斷電壓10kV，電流20A的碳化硅MOSFET芯片，并可以通過(guò)并聯(lián)模塊得到100A的電流傳

10、輸能力。另外，在柵氧層的界面態(tài)對(duì)碳化硅MOSFET器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響方面，行業(yè)中還有沒(méi)有達(dá)成一致的結(jié)論。有些報(bào)道提出碳化硅及其MOSFET中氧化層的帶階結(jié)構(gòu)帶來(lái)的器件的高溫可靠性問(wèn)題。而最近的報(bào)道顯示了在350下碳化硅柵氧層良好的可靠性。20年以來(lái)，碳化硅MOSFET柵氧層的可靠性得到明顯提高。這些研究結(jié)果表明柵氧層將有希望不再是碳化硅MOSFET的一個(gè)顯著的問(wèn)題。在碳化硅MOSFET研究領(lǐng)域，主要的研究機(jī)構(gòu)是Cree、GE和Infineon公司。這些公司目前能提供初步的1.2kV，10A20A的碳化硅MOSFET商業(yè)樣片。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)，碳化硅MOSFET將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。2.5碳化硅絕緣柵

11、雙極晶體管（SiC IGBT）和碳化硅晶閘管（SiC Thyristor）在高壓應(yīng)用領(lǐng)域（5kV10kV以上），即使是碳化硅器件也需要一個(gè)足夠的厚漂移層來(lái)實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率調(diào)制。在硅功率器件領(lǐng)域，IGBT已經(jīng)被接受為雙極型功率器件的代表。在碳化硅器件領(lǐng)域，高壓碳化硅IGBT面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)。第一個(gè)挑戰(zhàn)與碳化硅MOSFET器件一樣，溝道低電子遷移率導(dǎo)致高的溝道電阻。第二個(gè)挑戰(zhàn)是N型IGBT需要P型襯底，而P型襯底的電阻率比N型襯底的電阻率高50倍。因此，為了避免高的襯底電阻，IGBT首先采用了P型結(jié)構(gòu)。1999年報(bào)道了第一個(gè)碳化硅IGBT器件。最近報(bào)道了阻斷電壓12kV的碳化硅P型IGB

12、T器件，并具有良好的正向電流能力。2007年報(bào)道了具有優(yōu)越正向?qū)ㄌ匦缘?2kV碳化硅N型IGBT器件。碳化硅IGBT器件的導(dǎo)通電阻可以與單極的碳化硅功率器件相比，微分電阻比單極碳化硅功率器件的理論值低，清晰地顯示了碳化硅IGBT器件中的電導(dǎo)率調(diào)制效應(yīng)。關(guān)于碳化硅晶閘管，有報(bào)道介紹了1cm2的晶閘管芯片，阻斷電壓5kV，在室溫下傳輸電流100A（電壓4.1V），開啟和關(guān)斷時(shí)間在幾十到幾百納秒。因?yàn)槿狈Ω咂焚|(zhì)的襯底，氮化鎵材料通常生長(zhǎng)在碳化硅、藍(lán)寶石或者硅襯底上。由于氮化鎵與碳化硅的晶格失配最小，因此生長(zhǎng)于碳化硅襯底的氮化鎵擁有最好的品質(zhì)，從而被廣泛地應(yīng)用于高功率射頻（RF）領(lǐng)域。由于碳化硅襯底

13、的成本很高，因此基于碳化硅襯底的氮化鎵在功率器件領(lǐng)域并沒(méi)有引起廣泛的關(guān)注。近年來(lái)，氮化鎵材料在硅襯底上的生長(zhǎng)技術(shù)獲得重大進(jìn)步，這使得基于硅<111>晶面襯底的高品質(zhì)氮化鎵成為可能，克服了17的晶格失配。跟碳化硅技術(shù)相比，由于它在成本上大大降低，氮化鎵功率開關(guān)器件開始得到廣泛關(guān)注，并有大量關(guān)于基于硅襯底的氮化鎵功率開關(guān)器件的報(bào)道。現(xiàn)有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)致力于提高氮化鎵外延層的均勻性并降低其缺陷?；贏lGaN/GaN的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，氮化鎵的寬禁帶結(jié)構(gòu)中具有獨(dú)特的兩維電子氣現(xiàn)象（2DEG），氮化鎵器件的優(yōu)勢(shì)主要來(lái)源于此。在二維電子氣結(jié)構(gòu)中，電子密度達(dá)到1013cm-2，電子遷移率高于1200c

14、m2/Vs。這個(gè)遷移率比碳化硅表面的電子的遷移率明顯要高，為實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通比電阻的功率器件提供了基礎(chǔ)。3.1 氮化鎵二極管氮化鎵二極管通過(guò)鉑在AlGaN表面的積累形成肖特基接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)2DEG效應(yīng)。Ti/Al/Ti/Au金屬層的結(jié)合能夠形成陰極的歐姆接觸。這種基于硅的氮化鎵肖特基二極管可以阻斷1kV以上的電壓。有報(bào)道稱基于藍(lán)寶石襯底的氮化鎵二極管有著高達(dá)9.7kV的阻斷電壓。氮化鎵肖特基二極管的功率開關(guān)器件的研發(fā)應(yīng)該會(huì)和同等電壓電流等級(jí)的氮化鎵 HEMT器件同步發(fā)展。3.2 氮化鎵高遷移率晶體管（GaN HEMT）因?yàn)閮删S電子氣的特性，氮化鎵 HEM

15、T器件廣泛應(yīng)用在功率開關(guān)器件和射頻功率器件方面。已報(bào)道了擊穿電壓1.3kV、導(dǎo)通比電阻cm2的氮化鎵 HEMT器件，這種器件的性能已經(jīng)超越了目前報(bào)道的碳化硅功率器件，比硅單極器件的極限值大約要好1000倍。最近有報(bào)道導(dǎo)通電流大于5A、阻斷電壓大于600V、導(dǎo)通比電阻低至2.5 mcm2的氮化鎵 HEMT器件，大于70A、500V的氮化鎵 HEMT器件也見諸報(bào)道。氮化鎵 HEMT面臨兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是器件的閾值電壓會(huì)趨于負(fù)值，這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)類似于碳化硅 JFET器件相同的問(wèn)題。能用來(lái)提高氮化鎵 HEMT器件閾值電壓的辦法不多

16、，其中一個(gè)是通過(guò)引入帶負(fù)電的氟離子實(shí)現(xiàn)低摻雜漏區(qū)，從而提高器件的閾值電壓。另一個(gè)方法采用HEMT/MOS混合結(jié)構(gòu)。在考慮氮化鎵 HEMT器件的商業(yè)化之前，第二個(gè)問(wèn)題是氮化鎵 HEMT器件的穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題。在異質(zhì)結(jié)的材料生長(zhǎng)過(guò)程中，在不同材料界面上不可避免地會(huì)產(chǎn)生表面態(tài)和陷阱，包括過(guò)渡層、氮化鎵層、AlGaN和頂保護(hù)層等之間的界面，在一定程度上而言，這些問(wèn)題和過(guò)去幾年被激烈研究討論過(guò)的碳化硅 MOS器件的表面態(tài)問(wèn)題類似。氮化鎵 HEMT器件的這些界面的優(yōu)化和完善是實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品的商業(yè)化的必要條件。國(guó)際整流器（IR）公司最近宣布基于硅襯底的氮化鎵功率器件，它集成了驅(qū)動(dòng)電路用于低壓（<20V）功率管理，顯示了氮化鎵 HEMT器件在低壓領(lǐng)域的應(yīng)用前景。本文介紹了以碳化硅和氮化鎵為代表的寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展和現(xiàn)狀。碳化硅和氮化鎵在功率電子應(yīng)用方面的發(fā)展都獲得了很多重大的成就。600V1200V的碳化硅二極管技術(shù)已經(jīng)成熟并商業(yè)化。雖然碳化硅三端功率器件在技術(shù)上還是存在一些問(wèn)題，業(yè)界已經(jīng)可以提供三種碳