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已經(jīng)從硅雙極型晶體管、場效應(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，已經(jīng)在無線通信基站、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)對性能的影響很大，一致直接采用管殼外的匹配方法無法得到大的功率輸出甚至無法工作。解決方法就是在管殼內(nèi)引入內(nèi)匹配電路，因此內(nèi)匹配對發(fā)揮GaN功率管性能上的優(yōu)勢，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無法達(dá)到的10kV.而且其開態(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)勢明顯;經(jīng)研究得到了擊穿電壓為1.677kV。開態(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侖散射和界面粗糙散射，提出了新的綜合型庫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。