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半导体

提升功率半导体性能 宽禁带器件产业化起航

浙江大学电气工程学院长江特聘教授盛况
半个世纪以来,基于硅材料的功率半导体器件得到长足发展。不过,硅材料本身物理特性的局限性开始越来越明显地限制电力电子器件性能的提高,其局限性的物理机理是基于给定的芯片面积,单极性器件的导通电阻大约与击穿电压的2.5次方成正比。与硅材料不同,宽禁带半导体材料拥有较高的临界击穿电场,用于制造功率器件可以明显地减少所需要的漂移区厚度,同时提高漂移区的掺杂浓度,达到大大减小器件电阻的效果。

碳化硅晶体管将在几年内进入市场

碳化硅、氮化镓和金刚石是常见的3种宽禁带半导体材料,其临界击穿电场分别为3.0MV/cm、3.3MV/cm和5.6MV/cm,远高于硅材料的0.3MV/cm,在相同的芯片面积下,它们的导通电阻分别为硅材料的1/600、1/700和1/4300。对于各种性能最终大都受限于损耗值的功率器件来说,基于这3种材料的器件有着巨大的发展空间。
高质量低缺陷的单晶材料和外延技术是制备功率器件的基础,在上述三种材料中,金刚石单晶的制备至今还仅限于很小的尺寸,不适合用于功率器件;近年来氮化镓材料在大尺寸(6英寸等)硅衬底上的异质结生长方面取得了明显的进展;而目前Cree、II-VI、DowCorning和NipponSteel等公司已经批量生产4英寸碳化硅晶圆,6英寸的碳化硅晶圆也将很快出现,使碳化硅成为3种宽禁带材料中最成熟的技术。
随着碳化硅材料和器件技术的进一步提升,碳化硅器件价格将逐步下降,成熟的碳化硅晶体管将在未来几年内进入市场,并形成一定规模,可能为电力电子技术的发展带来革命性的巨变。同时,由于基于硅衬底的氮化镓技术的巨大潜力,既能大幅降低成本,又能够保持宽禁带半导体器件的优越性能,氮化镓二极管和氮化镓HEMT器件在中低压领域拥有巨大的潜力。

  碳化硅MOSFET在低压应用成首选

碳化硅功率双极晶体管(BJT)是一种非常有前景的器件。和Si功率双极晶体管相比,碳化硅BJT不受二次击穿和低电流增益等问题限制,不存在碳化硅JFET器件的栅极驱动的问题和碳化硅MOSFET氧化层界面稳定性和沟道迁移率的问题,碳化硅BJT还具有易于封装的优点。目前,TranSiC公司提供1200V、6A和20A的商用碳化硅BJT的单管样片,工作温度可以达到250℃,其开关速度在20~40纳秒之间,和相应的MOSFET相当。实验室还报道了击穿电压高达9.3kV的研发样片。碳化硅BJT当前主要面临两个问题,一是作为电流驱动型器件,碳化硅BJT的电流增益还在20~40之间,虽然比硅基器件高,但是还有进一步提升的需要和空间;二是随着器件工作时间的增加,由于晶格缺陷扩散引起的器件老化问题,这个问题正在得到逐步解决。
碳化硅结型场效应晶体管是单极性的电压控制型器件,能够克服BJT所遇到的两个问题,它的制造封装流程也相对简单,其开关速度也在20~50纳秒之间,适合高频的应用,其高温可靠性也已经被NASA在550℃高温下几千小时的连续工作证明了,德国的SiCED和美国的SemiSouth公司有1200V和1800V、15A~30A的产品;而在实验室,已有报道可以实现阻断电压11kV、比导通电阻为168mΩ·cm2的碳化硅JFET器件。碳化硅JFET所遇到的唯一的技术问题是它的阈值电压通常为负值(耗尽模式)或者小于1V,而因为它的正向驱动一般不超过2.7V,使得器件在电路门极驱动损坏的情况下的保护或者动态驱动变得困难,现在利用和硅基低压MOSFET级联的方法来解决这个问题。另外,由于其常通特性,碳化硅JFET比别的器件更适合用作限流器件。
因为MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性,碳化硅MOSFET应该在5kV以下的应用中成为首选器件。碳化硅功率MOSFET当前面临的两个主要问题是栅氧层的可靠性和沟道电阻,栅氧层的可靠性问题已经在近年逐步得到解决,而相应的沟道电子可用迁移率也提高到了20cm2/Vs以上,初步缓解了沟道的高电阻问题。目前,Cree、PowerEx、GE等公司都有了1200V、10A-20A的碳化硅MOSFET样片,预计将在几年内实现初步的商品化。

碳化硅IGBT在高压领域有优势

在高压应用领域(5kV以上),碳化硅IGBT和晶闸管将具有较大的优势。1999年制成的第一个IGBT采用了P型衬底,到2007年,报道了具有优越正向导通特性的12kV碳化硅N型IGBT器件,而5kV、100A的碳化硅晶闸管器件也研制成功。由于碳化硅外延材料中较短的少子寿命,这些双极型器件都能够在几十到几百纳秒的时间内关断。这两类器件目前尚无商业样片。
和当前的硅器件(IGBT)相比,以上各种碳化硅三端器件都具有低导通电阻、高开关速度(20-40纳秒)、耐高温(250℃以上)、耐高压(上万伏甚至几万伏)等优势。目前,出现了多家碳化硅单晶片和外延片的供应商,对于增加竞争、降低材料价格起到了一定的积极作用。

  硅衬底氮化镓器件获突破

近年来,氮化镓材料在硅衬底上的生长技术获得重大进步,这使得在硅<111>晶面衬底上生长高品质氮化镓成为可能,其成本可以显著地低于相应的碳化硅材料。氮化镓功率开关器件也因此开始得到广泛关注,并有大量关于基于硅衬底的氮化镓功率开关器件的报道。
氮化镓功率器件大都基于AlGaN/GaN的HEMT异质结结构,这种结构中的二维电子气现象(2DEG)可以使氮化镓器件的电阻达到相当低。国际整流器(IR)公司最近宣布基于硅衬底的氮化镓功率器件,它集成了驱动电路用于低压(<40V)功率管理,显示了氮化镓HEMT器件在低压领域的应用前景。而实验室已报道了击穿电压1.3kV,比导通电阻1.7mΩ·cm2的氮化镓HEMT器件,这种器件的性能已经超越了目前报道的碳化硅功率器件,但是目前还没有高压的氮化镓晶体管商业化产品。当前,氮化镓高压HEMT面临两个问题:低阈值电压(类似于碳化硅JFET)和稳定性可靠性问题,其中稳定性和可靠性问题源自作为异质结材料生长过程中出现的各类界面缺陷。在广泛地进入市场之前,氮化镓高压HEMT器件这些问题必须得到较好的解决。


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