碳化硅器件發展概述

黃京才，白朝輝

（西安衛光科技有限公司，陜西西安 710065）

0 引言

目前，以硅器件為基礎的電力電子器件的性能已隨其結構設計和制造工藝的相當完善而接近其由材料特性決定的理論極限，依靠硅器件繼續完善和提高電力電子裝置與系統性能的潛力已十分有限。

以SiC，GaN為代表的寬禁帶半導體材料，是繼以硅和砷化鎵為代表的第一代、第二代半導體材料之后迅速發展起來的新型半導體材料。表1列出了不同半導體材料的特性對比［1］。

表1 不同半導體材料的特性對比

從表中可以看出，它們具有以下特點:（1）熱導率高，工作溫度可以達到600℃，從而器件的冷卻系統可大為簡化，其中SiC為4.9 W/cm·℃，優勢更加明顯;SiC熱導率遠遠高于大多數半導體，室溫時幾乎高于所有金屬;莫氏硬度高于GaAs和Si，達到9級，僅次于金剛石;便于器件工藝流片和實施高密度大功率集成;（2）電子飽和漂移速度高，適于微波頻段工作;（3）擊穿電場高，能夠實現高工作電壓;（4）禁帶寬度寬，本征載流子濃度低，4H-SiC為8.2×10-9/cm3，GaN為1.9×10-10/cm3，便于管芯隔離;（5）抗輻照能力比GaAs和Si強1～2個數量級，另外開關損耗低1～2個數量級。SiC材料的寬禁帶和高溫穩定性使得其在高溫半導體器件方面有無可比擬的優勢。

1 國際發展

從20世紀90年代起，美國國防部（DOD，department of defense）就開始支持SiC功率器件研究，SiC功率器件樣品相繼問世。1987年以SiC材料和器件為研究方向Cree公司由美國國防部資助成立為海軍和空軍裝備作預先研究，從此SiC材料和電子器件進入飛速發展的新階段［2］。

SiC器件的發展是伴隨著SiC單晶襯底材料的發展而進行的。近年來，SiC材料微孔問題已基本解決，單晶材料的尺寸不斷增大，主流產品已經從兩英寸過渡到三英寸和四英寸片。2010年8月Cree公司展示了其新成果，150 mm（6英寸）的SiC襯底片，每平方厘米微孔密度小于10個。

功率二極管是功率半導體器件的重要分支，主要包括肖特基勢壘二極管（SBD，schottky barrier diode），PiN二極管和結勢壘肖特基二極管（JBS，junction barrier schottky diode）。

1987年Shiahara等人通過CVD技術研制出第一只6H-SiC二極管，當時的擊穿電壓在600 V左右。20世紀初，L.G.Matus等人通過CVD技術在6H-SiC襯底上淀積P型、N型6H-SiC，制成耐壓1 000 V，工作溫度600℃的pn結二極管。由于SiC的pn結自建電勢差較大，導致導通壓降升高。為了解決這一問題，人們采用肖特基結來代替pn結。

目前，商業化的SiC器件主要是肖特基二極管，美國的Cree公司和德國Infineon公司（西門子集團）都已有耐壓600 V，電流10 A或12 A以下的碳化硅肖特基勢壘二極管系列產品出售。

1992年，美國北卡州立大學功率半導體研究中心最先報道了全世界首次研制成功6H-SiC肖特基勢壘二極管，其阻斷電壓 400 V［3］。

2001年，德國Infineo公司在業界生產出600 V、4 A和300 V、10 A的SiC肖特基二極管，SiC SBD開始商業化。美國Semisouth公司研制的100 A、600 V、300℃工作的 SiC SBD器件已應用于美國空軍多電飛機（MEA，more electric aircraft）。2003年美國Rutgers大學研制出阻斷電壓10.8 kV，導通電阻97 mΩ·cm2SiC SBD二極管［4］。日本東芝公司在2008年報道了接近4H-SiC材料極限水平的 Super-SBD［5］，該器件采用浮空結技術獲得2.57 mΩ·cm2超低導通電阻和2.7 kV阻斷電壓，品質因子為2.837 MW/cm。2009年2月美國Cree公司與Powerex公司開發出了雙開關1 200 V、100 A的SiC功率模塊。其由耐高壓和大電流的SiC的MOS場效應晶體管和SiC肖特基二極管組成。德國Infineo公司2009年3月推出了第三代薄型SiC肖特基二極管。據日本三菱公司的試驗表明，電力變換器中使用的硅基耐壓600 V快速恢復二極管和IGBT。如果用SiC SBD（肖特基勢壘二極管）和 MOSFET管代替，功耗可降50%，甚至70%。SiC的工作環境可穩定地提高至300℃，而硅不超過200℃。因此可減少散熱器或不用散熱器。

由于高壓下SiC的肖特基勢壘比較薄，進一步提高肖特基二極管的阻斷電壓就會受到遂穿勢壘反向漏電流的限制，因此對于3 kV以上的整流器應用領域，SiC PiN二極管更具優勢。除更高的擊穿電壓外，SiC PiN二極管還具有更快的開關速度、更小的體積和更輕的重量。

瑞典 KTH、Royal Institute of Technology報道［6］，1995 年研制成高擊穿6H-SiC PiN二極管，擊穿電壓為4.5 kV。Cree公司在85 μm厚的SiC外延層上制作了5 900 V SiC PIN二極管，正向壓降在100 A/cm2的電流密度下為4.2 V，5 500 VSiC PiN二極管的反向恢復電流僅為350 nA。美國RPI（Rensse Laer Polytechnic Institute）在40 μm厚的SiC外延層上實現了4 500 V SiC PiN二極管，正向壓降在100 A/cm2的電流密度下為4.2 V。2000年日本的Sugawara研究室和Cree公司研制出12 kV和19.5 kV的臺面型PiN二極管［10］。對于19.5 kV的SiC PiN二極管，其正向壓降在電流密度100 A/cm2下為7.5 V，擊穿時的泄漏電流密度為3 mA/cm2;反向恢復時間小于43 ns，只有商業化6 kV Si快恢復二極管的1/30。2005年Cree公司報道了10 kV，3.75 V，50 A（8.7 mm×8.7 mm2）SiC PiN二極管，其10 kV/20 A PiN二極管系列的合格率已經達到40%。

在高工作頻率下，SiC PiN二極管反向恢復時能量損耗比較大，因此SiC JBS二極管就很有吸引力。JBS器件在正偏置時，肖特基勢壘因勢壘低先進入導通狀態，起主要作用;但反偏時，pn結在高反壓下耗盡區迅速擴展，為肖特基勢壘屏蔽電場，從而使反向漏電大幅度下降，因此JBS既具有肖特基二極管優良的開關特性，又有接近PiN二極管的高阻斷能力。2007年Cree公司報道了10 kV/20 A的SiC JBS二極管，芯片尺寸為14.9×10.6 mm2，在3inch N型4H-SiC晶圓上的合格率為37%，10 kV/5A SiC JBS的合格率超過40%。

2 國內發展

國內寬禁帶半導體微波功率器件的研究始于20世紀末，對于SiC材料的研究，中科院硅酸鹽所開展的相當早，而寬禁帶電子器件中國電子科技集團公司第十三研究所起步較早。經過最初幾年的摸索，已積累了一定的材料與器件制作經驗。

2004年，“973”國家重大基礎項目研究”中有關寬禁帶半導體的研究工作正式啟動，國家大量人力與物力的支持極大地提高了國內寬禁帶半導體微波功率器件研制水平，其中高校（西安電子科技大學、電子科技大學、北京大學、山東大學、浙江大學等）側重于材料及器件理論、模擬研究，研究所（中電13所、46所、55所、中科院半導體所、微電子所等）側重于材料及器件的制備。

在材料研究方面，西安電子科技大學已研制出GaN、Ga-NAl等材料生長用MOCVD設備，獲國家科技進步二等獎，用該設備已生長出合格的GaN、GaNAl等材料，并且用該材料研制出合格的器件。最近，學校又獲得國家資助研制SiC外延生長設備。

在SiC器件結構設計方面，電子科技大學功率集成技術實驗室在國際上首先提出二項新理論:寬禁帶半導體器件優值理論和寬禁帶半導體功率雙極型晶體管特性理論［7］，獲得眾多國際知名學者認同及引用。

在SiC整流器方面，各個研究所和高校，包括中電13所、55所、西安電子科大、電子科大等都研制出600 V～1 200 V的SiC SBD試樣品，為SiC器件的發展和應用打下堅實基礎。

3 未來發展趨勢

目前由于SiC功率整流器結構相對簡單，特別是SiC SBD器件已經比較成熟，因此針對國內SiC器件研究水平，應優先大力發展SiC整流器（包括:SBD、JBS、PiN），從器件結構設計和耐壓機理分析入手，一方面是對已有器件繼續進行優化，使其能滿足軍事和商業應用;另一方面繼續開發更低導通壓降，更小芯片面積和更高工作溫度的器件，加快國內SiC整流器實用化進程。

［1］王守國，張巖.SiC材料及器件的應用發展前景［J］.自然雜志，2011，3（1）:42-53.

［2］李晉閩.SiC材料及器件研制的進展［J］.物理，2000（29）:481-488.

［3］Bhatnager M，Baliga B.J.Silicon-Carbide High-Voltage（400V）Schottky Barrier Diodes［J］.IEEE Electron Device Letters，1992，13（10）:501-503.

［4］Zhao J.H，Alexandrov P，Li X.Demonstrati on of the First 10-kV 4H-SiC Schottky Barrier Diodes［J］.IEEE Electron Device Letters，2003，24（6）:402-404.

［5］Nishio J，Ota C，Shinohe T，et al.Ultralow-Loss SiC Floating Junction Schottky Barrier Diodes（Super-SBDs）［J］.IEEE Electron Device，2008，55（8）:1954-1960.

［6］盛柏楨，程文芳.碳化硅器件及其應用［J］.電子元器件應用，2001，3（5）:19-28.

［7］Alex Q.Huang，Bo Zhang.The Future of Bipolar Power Transistor［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，2001，48（11）:2535-2543.