第三代半導(dǎo)體材料盛行，GaN與SiC如何撬動(dòng)新型功率器件

1.GaN

功率管的發(fā)展微波功率器件近年來(lái)已經(jīng)從硅雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管以及在移動(dòng)通信領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的LDMOS管向以碳化硅(SiC)、氮鎵(GaN)為代表的寬禁帶功率管過(guò)渡。SiC、GaN材料，由于具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場(chǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，與剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。

在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。SiC功率器件在C波段以上受頻率的限制，也使其使用受到一定的限制;GaN功率管因其大功率容量等特點(diǎn)，成為發(fā)較快的寬禁帶器件。GaN功率管因其高擊穿電壓、高線性性能、高效率等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在無(wú)線通信基站、廣播電視、電臺(tái)、干擾機(jī)、大功率雷達(dá)、電子對(duì)抗、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和良好的使用前景。

GaN大功率的輸出都是采用增加管芯總柵寬的方法來(lái)提高器件的功率輸出，這樣使得管芯輸入、輸出阻抗變得很低，引入線及管殼寄生參數(shù)對(duì)性能的影響很大，一致直接采用管殼外的匹配方法無(wú)法得到大的功率輸出甚至無(wú)法工作。解決方法就是在管殼內(nèi)引入內(nèi)匹配電路，因此內(nèi)匹配對(duì)發(fā)揮GaN功率管性能上的優(yōu)勢(shì)，有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.SIC

碳化硅(SiC)以其優(yōu)良的物理化學(xué)特性和電特性成為制造高溫、大功率電子器件的一種最具有優(yōu)勢(shì)的半導(dǎo)體材料.并且具有遠(yuǎn)大于Si材料的功率器件品質(zhì)因子。SiC功率器件的研發(fā)始于20世紀(jì)90年代.目前已成為新型功率半導(dǎo)體器件研究開(kāi)發(fā)的主流。2004年SiC功率MOSFET不僅在高耐壓指標(biāo)上達(dá)到了硅MOSFET無(wú)法達(dá)到的10kV.而且其開(kāi)態(tài)比電阻向理論極限靠近了一大步.可達(dá)123mQ·cm2。SiC隱埋溝道MOSFET(BCMOS)是MOS工藝最有潛力的新秀.它不僅解決了溝道遷移率低的問(wèn)題，且能很好地與MOS器件工藝兼容。研究出的SiCBCMOS器件遷移率達(dá)到約720cm2/(V·s);SiC雙極晶體管(BJT)在大功率應(yīng)用時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯;經(jīng)研究得到了擊穿電壓為1.677kV。開(kāi)態(tài)比電阻為5.7mQ·cm2的4H—SiCBJT

3.SiC MOSFET的研究

MOSFET在目前的超大規(guī)模集成電路中占有極其重要的地位，而SiC作為唯一一種本征的氧化物是SiO，的化合物半導(dǎo)體。這就使得MOSFET在SiC功率電子器件中具有重要的意義。2000年研制了國(guó)內(nèi)第一個(gè)SiCMOSFETt31。器件最大跨導(dǎo)為0.36mS/mm，溝道電子遷移率僅為14cm2/(V·s)。反型層遷移率低已成為限制SiCMOSFET發(fā)展的主要因素。理論和實(shí)驗(yàn)均表明.高密度的界面態(tài)電荷和非理想平面造成的表面粗糙是導(dǎo)致SiCMOS器件表面

遷移率低的主要因素。用單電子MonteCarlo方法對(duì)6H—SiC反型層的電子遷移率進(jìn)行模擬，模擬中考慮了界面電荷的庫(kù)侖散射和界面粗糙散射，提出了新的綜合型庫(kù)侖散射模型和界面粗糙散射指數(shù)模型141。模擬結(jié)果表明.當(dāng)表面有效橫向電場(chǎng)高于1.5x105V/cm時(shí).表面粗糙散射在SiC反型層中起主要作用;反之，溝道散射以庫(kù)侖散射為主，此時(shí)高密度的界面態(tài)電荷將成為降低溝道遷移率的主要因素。

4.總結(jié)

通過(guò)學(xué)習(xí)這兩款新型的功率器件，不僅在設(shè)計(jì)上，更取得了實(shí)質(zhì)性的效果。