寬禁帶SiCMESFET發(fā)展及增益特性研究摘要：近些年來，以碳化硅和氮化鎵為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料成為繼以硅和砷化鎵為代表的第一代、第二代半導(dǎo)體材料之后迅速發(fā)展起來的第三代新型半導(dǎo)體材料。SiC半導(dǎo)體材料具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場(chǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適合制作大功率、高壓、高溫、抗輻照電子器件。此外，由于SiC功率器件可顯著降低電子設(shè)備的能耗，因此SiC功率器件也被譽(yù)為帶動(dòng)新能源革命的“綠色能源”器件。文章研究了新型寬禁帶半導(dǎo)體材料的性能及發(fā)展，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了SiCMESFET功率增益的研究。關(guān)鍵字：SiC材料，4H-SiCMESFET，功率增益，功率器件Abstract:Recentyearssiliconcarbide(Sic)andgalliumnitride(GaN)becomethetypicalmaterialforthe3rdgenerationsemiconductor,following

the

siliconandgalliumarsenideastherepresentativeofthefirst-generationandthesecond-generationsemiconductormaterials.SiCsemiconductormaterialshavebroadbandgap,highsaturationdriftingvelocity,highheatconductivity,highcriticalbreakdownelectricfieldsuchprominentadvantage,whicharesuitableformakinghighpower,highpressureandhightemperatureresistance,irradiationelectronicdevices.Inaddition,becauseofSiCpowerdevicescansignificantlyreducetheenergyconsumptionoftheelectronicequipment,soSiCpowercomponentsisknownasthe“greenenergy”device.Thenewwidebandgapsofsemiconductormaterialsareintroducedinthepaper.AlsotheSiCMESFETpowergrainhasbeenstudiedinthispaper.Keywords：SiC,4H-SiCMESFET,powergrain,powerdevice0引言隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的Si和GaAs半導(dǎo)體材料出于自身結(jié)構(gòu)和特性的原因，在高溫、高頻、大功率以及抗輻射等方面越來越顯出其不足和局限性[2]。硅器件難以在高于250℃的高溫環(huán)境下工作，特別是當(dāng)高的工作溫度與大功率、高頻及強(qiáng)輻射環(huán)境條件并存時(shí)，硅器件就無法勝任。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，對(duì)能夠在高溫、高輻射、高功率環(huán)境下工作的新型半導(dǎo)體材料有著迫切需求。為此，人們對(duì)新型半導(dǎo)體材料的進(jìn)行了廣泛的研究，在眾多的新型半導(dǎo)體材料之中，SiC以其優(yōu)良的物理和電學(xué)性能引起了人們的重視，已經(jīng)成為繼第一代半導(dǎo)體材料硅和第二代化合物半導(dǎo)體材料砷化鎵、磷化鎵、磷化銦之后逐漸興起的第三代半導(dǎo)體材料。1SiC材料的優(yōu)勢(shì)半導(dǎo)體的材料特性在一定程度上決定了器件的功率頻率特性，其中擊穿電場(chǎng)和飽和電子傳輸速度是決定器件性能的兩個(gè)重要的影響因素[2,5]。一方面，靜電能量密度可以表示為電場(chǎng)的函數(shù)（），當(dāng)器件內(nèi)電場(chǎng)等于臨界擊穿電場(chǎng)的時(shí)候，達(dá)到功率極限；另一方面，放電時(shí)間不能超過半周期，而放電時(shí)間取決于載流子傳輸?shù)诫姌O的延遲時(shí)間，因此載流子飽和速度決定了頻率極限。表1-1列出了不同半導(dǎo)體材料性能的比較[7,8]。SiCSiGaAs4H-SiC6H-SiC3C-SiC禁帶寬度（eV）3.233.02.361.11.42擊穿電場(chǎng)（MV/cm）3~53~510.60.6熱導(dǎo)率（）3~53~53~51.50.5飽和速度（）222.51.01.2介電常數(shù)9.669.669.7211.913.1溶點(diǎn)（K）~3100K(35atm)~3100K(35atm)~3100K(35atm)16901510電子遷移率（）90040080014006500空穴遷移率（）1209040420320表1-1半導(dǎo)體材料性能比較而從表1-1中可以看到碳化硅的很多電學(xué)熱學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于硅和砷化鎵等材料。SiC的禁帶寬度大（是Si的3倍，是GaAs的2倍）；其本征溫度高，SiC功率半導(dǎo)體器件的工作溫度可高達(dá)600攝氏度；SiC的擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（是Si的10倍，是GaAs的7倍），SiC功率半導(dǎo)體器件的最高工作電壓比Si的同類器件高得多，由于功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通電阻與材料擊穿電場(chǎng)的立方成反比，因此SiC功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通電阻比Si的同類器件的導(dǎo)通電阻低得多，結(jié)果其開關(guān)損耗便小得多；SiC的熱導(dǎo)率高、飽和電子遷移率高，適合于高溫高頻大功率工作。表1-2列舉出了SiC材料的各種應(yīng)用[3]。特性器件應(yīng)用寬帶隙高溫電子器件和集成電路各種高溫環(huán)境短波長發(fā)光二極管全彩色顯示藍(lán)光激光二極管高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)紫外光敏二極管發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)、控制抗輻射器件核電、宇航異質(zhì)結(jié)器件各種電子系統(tǒng)高擊穿場(chǎng)強(qiáng)高性能功率器件電子控制系統(tǒng)、節(jié)能系統(tǒng)高壓器件電力電子系統(tǒng)高密度IC封裝各種電子系統(tǒng)高電子遷移率微波器件相控陣?yán)走_(dá)、通訊、廣播高速器件軍用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理高熱導(dǎo)率高集成度IC各種電子系統(tǒng)良好熱耗散的大功率器件衛(wèi)星、航空系統(tǒng)表1-2SiC材料的應(yīng)用24H-SiCMESFET的增益特性[1,4]目前對(duì)4H-SiCMESFET的研究已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展。一般而言微波功率器件除了考慮盡量獲得最大輸出功率外，功率增益也是需要必須考慮的問題。一般功率FET的等效電路可如2-2圖所示，為此有：(2-1)對(duì)于本征功率FET，其截止頻率為：(2-2)式中：gds=1/Rds為漏電導(dǎo)；Rg為柵串聯(lián)電阻；Ri為源漏之問的溝道電阻；Rs為源串聯(lián)電阻；Ls為源電感；Cdg為漏柵電容；Cgs為柵源電容；gm為本征晶體管跨導(dǎo)。從上式中可以看出，在一定的工作頻率下為了提高功率SiCMESFET的功率增益，除了要盡量提高器件的特征頻率外，還要盡量減小器件的寄生電阻、寄生電容和寄生電感。在工藝上就是要在源、漏電極實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸，并在柵電極形成良好的肖特基勢(shì)壘，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)精細(xì)光刻和盡量小的鍵合引線電感。圖2-1MESFET基本結(jié)構(gòu)圖2-2功率FET的等效電路要實(shí)現(xiàn)高的功率增益，器件必須有比較高的截止頻率，而截止頻率和最高振蕩頻率是器件的兩個(gè)重要的參數(shù)，其關(guān)系式為：（2-3）（2-4）（2-5）由以上分析可以得出提高功率增益與提高器件的截止頻率和最高振蕩頻率的技術(shù)途徑是基本一致的。SiCMESFET的另一個(gè)關(guān)鍵工藝就是如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量肖特基金屬細(xì)柵技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)良好的功率性能和高功率增益，必須要有良好的柵控能力即實(shí)現(xiàn)良好的肖特基接觸。所以采用具有高功函數(shù)的金屬與SiC接觸是實(shí)現(xiàn)良好柵控的基礎(chǔ)。3結(jié)束語碳化硅(SiC)是具有寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)、高載流子飽和漂移速率、高熱導(dǎo)率、高功率密度等等許多優(yōu)點(diǎn)的新型半導(dǎo)體材料，非常適合于制作高頻、大功率、抗輻照的電子器件。在微波功率器件中，4H-SiC金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)更引起了人們的廣泛重視。然而碳化硅器件制造工藝難度較大，肖特基接觸不穩(wěn)定性、陷阱效應(yīng)、自熱效應(yīng)等影響因素限制了器件達(dá)到好的特性[2]。需要對(duì)上述問題建模分析并從器件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。盡管SiC材料和器件的研究已取得了引人注目的進(jìn)展，但這些器件要成為高溫、高頻、大功率領(lǐng)域的主流器件還有許多問題要解決。首先是作為襯底材料的SiC在降低缺陷密度、提高均勻性的同時(shí)，必須大幅度降低其成本，2006年一片2英寸的SiC單晶片的售價(jià)高達(dá)500美元，然而相應(yīng)的4英寸的硅片售價(jià)僅為7美元[6]。如此昂貴的SiC單晶片已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了SiC器件進(jìn)入民用功率半導(dǎo)體市場(chǎng)。另外，制取高純、高摻雜的大尺寸晶體的關(guān)鍵技術(shù)也應(yīng)盡快突破；其次需要提高離子注入技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)平面工藝，為集成電路的發(fā)展奠定基礎(chǔ)；再次高溫下SiC器件歐姆接觸的可靠性問題。可見，要充分發(fā)揮SiC的優(yōu)勢(shì)和潛力，在理論上和實(shí)踐上都還有許多工作要做?？梢灶A(yù)見，SiC作為21世紀(jì)極端電子學(xué)半導(dǎo)體首選材料、第三代半導(dǎo)體的主導(dǎo)材料之一，隨著材料、器件物理研究的不斷深化和制作技術(shù)的不斷突破、完善和成熟，SiC應(yīng)用技術(shù)必將更加加速發(fā)展，成為21世紀(jì)半導(dǎo)體技術(shù)的一顆十分耀眼、引人注目的明星。

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