下载文档原格式
半导体功率器件的特点常见的功率器件有：功率二极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（电力电子行业“CPU”IGBT）、基材禁带宽度较高（大于2.3eV）的功率器件-宽禁带功率器件，他们的特点介绍如下：1、功率二极管：最简单的功率器件二极管是用半导体材料制成的具有单向导电性的二端器件，一般由P极和N极形成PN结结构，电流只能从P极流向N极。
二极管由电流驱动，无法自主控制通断，电流只能单向通过。
半导体二极管按应用领域不同可分为用于电力转换的功率二极管，主要为普通整流二极管、快恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）、肖特基二极管（Schottky Barrier Diode，SBD）；用于显示用的发光二极管，如LED、OLED；用于将光信号转化成电信号的光电二极管等。
功率二极管是最简单的功率器件，利用其单向导电的特性，通常用于整流电路、稳压电路、开关电路、检波电路等。
1.1整流二极管是利用PN结的单向导电性，把电路中工频交流电转换成脉动直流电的一种二极管。
是结面积大、结电容大、工作频率较低，一般在几十千赫兹，为了可靠往往选用二极管的最大整流电流和最高反向工作电压要有2倍余量。
1.2开关二极管也是利用PN结的单向导电性而完成电流开关功能的一种二极管，当开关二极管加上一个较大的正脉冲信号时，进入导通状态，正向压降很小，正向电阻很低，相当一个闭合开关；当负脉冲到达时，进入截止状态，反向电阻很大，反向电流很小，相当一个断开的开关。
1.3稳压二极管是利用PN结反向击穿时电压基本不变，而电流可在很大范围内变化的特性制做的，它可以在一定电流变化范围内对电路起稳压作用。
1.4检波（也称解调）二极管是利用其单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来，广泛应用于半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中，其工作频率较高，处理信号幅度较弱。
宽禁带半导体碳化硅宽禁带半导体是一类具有特殊电子能带结构的半导体材料，其中碳化硅（SiC）备受关注。
碳化硅具有出色的物理和化学性能，使其在众多领域具有广泛的应用前景。
碳化硅（SiC）的优势表现在以下几个方面：首先，碳化硅具有很高的禁带宽度，使其具有较高的击穿电场，从而耐高压能力强；其次，碳化硅器件具有较低的导通电阻，能有效降低功耗；再次，碳化硅材料具有较高的热导率，有利于器件的散热；最后，碳化硅具有较好的化学稳定性，使其在恶劣环境下的可靠性更高。
宽禁带半导体碳化硅的应用领域广泛，主要包括电力电子器件、微波通信、光电子器件、新能源等领域。
在电力电子器件方面，碳化硅功率器件已逐渐替代硅基器件，提高能源转换效率；在微波通信领域，碳化硅微波器件具有更高的频率和功率承受能力；在光电子器件方面，碳化硅材料的高热导率使其在高温光电子器件方面具有优势；在新能源领域，碳化硅功率器件可提高电动汽车等设备的能源转换效率。
我国在宽禁带半导体碳化硅产业的发展现状喜人。
近年来，我国政府高度重视宽禁带半导体产业的发展，制定了一系列政策扶持措施。
在科研方面，我国宽禁带半导体碳化硅研究取得了一系列重要成果，部分技术已达到国际先进水平。
在产业应用方面，国内碳化硅器件企业逐步实现产业化，产品开始进入国内外市场。
然而，与发达国家相比，我国在宽禁带半导体碳化硅领域仍存在一定的差距，特别是在材料生长、器件设计、封装测试等方面。
展望未来，我国宽禁带半导体碳化硅产业有望实现跨越式发展。
随着技术创新的不断推进，碳化硅材料生长技术和器件设计制造技术将不断取得突破。
同时，政府和企业加大投入，推动产业应用示范，拓宽应用领域。
此外，培养专业人才、加强国际合作等措施也将助力我国宽禁带半导体碳化硅产业迈向更高水平。
总之，宽禁带半导体碳化硅作为一种具有优异性能的半导体材料，在我国得到了广泛关注和应用。
氮化物宽禁带半导体材料和器件
氮化物是一类宽禁带半导体材料，由氮元素和其他金属元素如镓、铝、硅等元素组成。
氮化物材料具有优异的热、光、电特性，比传统的硅材料具有更高的电子迁移率和较大的能隙（禁带宽度），因此被广泛用于半导体器件的制作。
氮化物宽禁带半导体材料的最重要的应用领域是照明领域，尤其是蓝光LED。
传统的照明技术，如白炽灯和荧光灯，通常
需要较高的能量消耗。
而氮化物宽禁带半导体材料制成的蓝光LED具有高效率、长寿命和节能的特点，被广泛应用于照明、显示器和光通信等领域。
此外，氮化物宽禁带半导体材料还可以用于制作高功率和高频率的电子器件，如功率器件和射频器件。
氮化物材料具有高电场饱和速度和热稳定性，可以承受高电压和高功率操作，因此适用于电力电子和通信应用。
总而言之，氮化物宽禁带半导体材料和器件具有广泛的应用前景，尤其在照明、电力电子和通信领域。
随着技术的不断发展和突破，氮化物材料可能在更多领域展示出其优越的性能和潜力。
宽禁带半导体功率器件——材料、物理、设计及应用1.引言1.1 概述宽禁带半导体功率器件作为半导体领域中的重要分支，具有广阔的应用前景。
它是基于宽禁带半导体材料的器件，具备了高功率、高电压和高温度等特点，适用于能源领域、通信领域以及其他一系列领域。
在本文中，我们将对宽禁带半导体功率器件的材料、物理性质、设计原理以及应用领域进行深入研究和探讨。
首先，我们将介绍宽禁带半导体材料的定义和分类，以及其在器件制备中的重要性。
接着，我们将详细探讨宽禁带半导体材料的物理性质，包括载流子浓度、迁移率和反向饱和电流等关键参数的影响因素和变化规律。
其次，我们将深入研究宽禁带半导体功率器件的设计原理，包括器件结构、电场分布以及载流子输运等方面的理论基础。
这部分内容将着重介绍宽禁带半导体功率器件的设计要点，包括提高器件电流密度、减小漏电流和改善器件热特性等方面的关键技术和方法。
最后，我们将重点关注宽禁带半导体功率器件在能源领域和通信领域的应用。
特别是在能源领域，宽禁带半导体功率器件可以广泛应用于太阳能电池、风力发电和电动车等领域，为可再生能源的开发和利用提供支持。
在通信领域，宽禁带半导体功率器件的高频特性和高功率特性，使其成为无线通信系统中的重要组成部分。
总之，本文将全面介绍宽禁带半导体功率器件的材料、物理性质、设计原理以及应用领域，并对其现状进行总结和展望。
通过深入研究和探讨，我们希望能够进一步提高宽禁带半导体功率器件的性能和应用水平，为相关领域的发展做出贡献。
文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文将分为引言、正文和结论三部分来展开对宽禁带半导体功率器件的讨论。
引言部分将首先对宽禁带半导体功率器件进行概述，介绍其基本概念和特点。
接着将介绍文章的结构和内容安排，以便读者能够清晰地理解全文的逻辑发展。
正文部分将分为三个主要章节：材料、设计和应用。
在材料章节中，我们将详细介绍宽禁带半导体材料的特点和性质，包括它们的禁带宽度、载流子浓度和迁移率等重要参数。
宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室2017-2018年开放基金课题指南碳化硅(SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿场强高、导热能力好等性能优势，以此加工制造的宽禁带电力电子器件具有高频、高压、高效、耐高温、抗辐照、高可靠和大功率的优势和特性,被誉为带动“新能源革命"的“绿色能源”器件，对国民经济和国防领域有着十分巨大的牵拉带动作用.宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室瞄准国际技术研究前沿和我国重大应用需求，将开展一系列关键技术及专项研究攻关.为支撑实验室研究工作，提升自主创新能力,促进学科交叉和高水平学术交流，实验室发布2017-2018年开放基金课题如下:(一)SiC沟槽MOSFET器件关键技术研究1、研究目标针对高电流密度、高可靠SiC功率MOSFET研制要求，开展沟槽结构SiC MOSFET的结构设计和工艺技术研究.探索SiC沟槽MOSFET芯片的设计仿真方法，建立器件物理结构形式对沟槽底部电场分布的作用规律，阐明强电场引起栅介质失效的机理,提出并实现增强栅介质可靠性的加固新结构。
开展高质量SiC沟槽形成工艺与栅介质形成技术研究，建立U型槽刻蚀工艺、槽侧壁离子注入和栅介质形成等关键工艺技术，研制出具有高栅介质可靠性、高电流密度的SiC功率MOSFET器件样品。
2、主要研究内容1）高电流密度SiC沟槽MOSFET芯片结构设计；2）S iC沟槽MOSFET栅介质可靠性加固技术研究;3）高质量SiC沟槽与栅介质形成工艺技术研究。
3、技术指标1200V SiC沟槽MOSFET样品:1）单芯片导通电阻80mΩ;2）比导通电阻 4.5mΩ∙cm2；3）最大工作栅压下栅介质电场强度<3MV/cm。
4、进度要求18个月。
5、经费要求建议不超过30万元。
6、成果形式1）S iC沟槽MOSFET样品；2）发表高水平论文3篇；3）申请发明专利2项；4）技术研究报告3份。
超宽禁带半导体材料技术关键核心技术超宽禁带半导体材料技术是当今半导体领域的一个重要研究方向。
它具有广泛的应用前景，可以在光电子器件、高温电子器件、高功率电子器件等领域发挥重要作用。
本文将从材料的定义、特性、制备方法以及应用等方面进行探讨。
我们来了解一下超宽禁带半导体材料的定义。
超宽禁带半导体材料是指具有较大能隙（禁带宽度）的半导体材料。
相比传统的半导体材料，超宽禁带半导体材料的禁带宽度通常大于3电子伏特（eV），甚至可以达到10eV以上。
这种特殊的禁带宽度使得超宽禁带半导体材料具有一些独特的性质和应用。
超宽禁带半导体材料的特性主要包括以下几个方面。
首先，由于禁带宽度较大，超宽禁带半导体材料具有较高的载流子禁带能量，可以实现高温下的电子传输。
其次，超宽禁带半导体材料的载流子迁移率较高，具有较好的导电性能。
此外，超宽禁带半导体材料还具有较高的光吸收系数和较低的光子能量损失，可以实现高效的光电转换。
针对超宽禁带半导体材料的制备方法，目前主要有以下几种。
一种是通过合金化方法，将两种或多种禁带宽度不同的半导体材料进行合金化，形成超宽禁带半导体材料。
另一种是通过掺杂方法，在传统的半导体材料中引入特定的杂质，改变其禁带宽度，从而形成超宽禁带半导体材料。
此外，还可以通过物理气相沉积、分子束外延等方法来制备超宽禁带半导体材料。
超宽禁带半导体材料在各个领域都有广泛的应用。
在光电子器件方面，超宽禁带半导体材料可以用于制造高效的太阳能电池、光电探测器等器件，提高能量转换效率。
在高温电子器件方面，超宽禁带半导体材料可以用于制造高温传感器、高温功率器件等，具有较好的稳定性和可靠性。
在高功率电子器件方面，超宽禁带半导体材料可以用于制造高功率电子器件，提高电子器件的工作效率和可靠性。
超宽禁带半导体材料技术是当前半导体领域的一个热门研究方向。
通过对材料的定义、特性、制备方法以及应用进行探讨，我们可以看到超宽禁带半导体材料具有广阔的应用前景和重要的科学研究价值。
综 述宽禁带半导体功率器件刘海涛 陈启秀(浙江大学信电系功率器件研究所,杭州310027) 摘要 阐述了宽禁带半导体的主要特性与Si C、金刚石等主要宽禁带半导体功率器件的最新发展动态及其存在的主要问题,并对其未来的发展作出展望。
关键词 宽禁带半导体 功率器件 碳化硅 金刚石W ide Bandgap Sem iconductor Power D ev icesL iu H aitao,Chen Q ix iu(Institu te of P o w er D ev ices,Z hej iang U n iversity,H ang z hou310027) Abstract T he paper p resen ts the m ain characteristics of w ide bandgap sem iconduc2 to rs,and elabo rates the latest developm en t of Si C and diam ond pow er devices.A t the sam e ti m e,the fu tu re developm en t of Si C and diam ond pow er devices is fo rcasted.Keywords W ide bandgap sem iconducto r Pow er devices Si C D iam ond1 引 言由于Si功率器件已日趋其发展的极限,尤其在高频、高温及高功率领域更显示出其局限性,因此开发研制宽带半导体器件已越来越被人们所关注。
所谓宽带半导体(W B G)主要是指禁带宽度大于212电子伏特的半导体材料,包括 —O、 —S、 —Se、 —N、Si C、金刚石以及其他一些化合物半导体材料。
这些材料一般均具有较宽的禁带、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率,因此他们比Si及GaA s更适合于制作高温、高频及高功率器件。
综 述宽禁带半导体功率器件刘海涛 陈启秀(浙江大学信电系功率器件研究所,杭州310027) 摘要 阐述了宽禁带半导体的主要特性与Si C、金刚石等主要宽禁带半导体功率器件的最新发展动态及其存在的主要问题,并对其未来的发展作出展望。
关键词 宽禁带半导体 功率器件 碳化硅 金刚石W ide Bandgap Sem iconductor Power D ev icesL iu H aitao,Chen Q ix iu(Institu te of P o w er D ev ices,Z hej iang U niversity,H ang z hou310027) Abstract T he p ap er p resen ts the m ain characteristics of w ide bandgap sem iconduc2 to rs,and elabo rates the latest developm en t of Si C and diam ond pow er devices.A t the sam e ti m e,the fu tu re developm en t of Si C and diam ond pow er devices is fo rcasted.Keywords W ide bandgap sem iconducto r Pow er devices Si C D iam ond1 引 言由于Si功率器件已日趋其发展的极限,尤其在高频、高温及高功率领域更显示出其局限性,因此开发研制宽带半导体器件已越来越被人们所关注。
所谓宽带半导体(W B G)主要是指禁带宽度大于212电子伏特的半导体材料,包括 —O、 —S、 —Se、 —N、Si C、金刚石以及其他一些化合物半导体材料。
这些材料一般均具有较宽的禁带、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率,因此他们比Si及GaA s更适合于制作高温、高频及高功率器件。
其中John son优值指数(JFOM=E c v s 2Π,E c 为临界电场;v s为电子饱和速率)、Keyes优值指数(KFOM=Κ[C v s 4ΠΕ]1 2,其中C为光速;Ε为介电常数)和B aliga优值指数(B FOM=ΕΛE G3,其中E G为禁带宽度,Λ为迁移率)分别从功率频率能力、耐热能力及导通功率损耗三方面说明了这一科学事实[1]。
表1[2]列出了常见宽带半导体与Si,GaA s的比较。
由表1可知宽禁带半导体具有许多优点: 1)W B G具有很高的热导率(尤其是Si C与金刚石),使得它们能够迅速转移所产生的热量,广泛用于高温及高功率领域;2)由于W B G的禁带宽度很大,因此相应器件的漏电流极小,一般比Si半导体器件低10～14个数量级,有利于制作CCD器件及高速存储器;3)W B G具有比普通半导体更低的介电常数及更高的电子饱和速率,使之比Si,GaA s更适合于制作毫米波放大器及微波放大器。
除此之外,W B G还具有负的电子亲和势及很高的异质结偏置电势,使得它们特别适合于阴极发射的平板显示器。
鉴于近几年Si C与金刚石材料的生长技术及氧化、掺杂、欧姆接触等工艺的成熟,使得Si C与金刚石器件得到了突飞猛进的发展,下面我们将主要评述Si C及金刚石的最新发展。
2 Si C功率器件近年来Si C功率器件的研究引起了世界科学界的高度重视,尤其是美国、欧洲等发达国表1 宽禁带半导体材料的基本特性材料特性Si GaA sΒSi C4H2Si C GaN A l N金刚石禁带宽度 eV1111143212312631456125145电子饱和速率 ×107c m s-1110110212210212217迁移率 c m2 V-1 s-1 电子空穴15006008500400100050114050125085022001600击穿电场 ×105V c m-1362030>10100介电常数11181215917916～109815515电阻率 8 c m1000108150>1012>1010>1013>1013热导率 W c m-1 K-1115014641941911331022 Johnson优值指数 ×1023W-1 8-1 s-29106215253344101567073856 Keyes优值指数 ×102W ℃ c m-1 s-113186139013229118444 Baliga优值指数(相对于Si而言)220394650815106030002727家为此投入了大量的资金;同时也涌现出一批新型的Si C功率器件,主要包括L ED发光器件、p n结及肖特基整流器件、FET、双极晶体管及晶闸管。
211 Si C二极管整流器件1987年Sh iahara等人通过CVD技术研制出第一只6H2Si C二极管,当时的击穿电压在600伏左右。
最近L.G.M atu s等人又研制出耐压为1000V[6]的高压p n结二极管,他通过CVD 技术在6H2Si C衬底上淀积p型、n型6H2Si C而制成这种高耐压的台势二极管。
使用的工艺主要有:反应离子刻蚀(R IE)、氧化、欧姆接触。
该器件的工作温度可达600℃以上,反向漏电流仅为014ΛA(室温),600℃时为5ΛA。
目前Si C p2 i2n二极管的反向恢复时间可达100n s以下,仅为Si p2i2n二极管的1 3左右。
但由于Si C p n结的自建电势差较大,为了解决这一问题,人们采用肖特基结来代替p n结,从而大大降低导通压降。
一种耐压400V的Si C肖特基整流器[3]在电流密度为100A c m2时压降仅为111V,远低于相应的p n结二极管,而且肖特基整流器具有极短的反向恢复时间,约为10n s,而Si p2 i2n二极管的反向恢复时间约为250n s。
此外,通过步进控制外延生长技术已成功研制出耐压为1100V以上的6H肖特基整流器[4]。
该器件的开态电阻比Si整流器低一个数量级,与温度的关系为R on2T210,而在Si整流器中为R on2T214。
如果不采用结终端技术,Si C整流器的耐压一般只能达到理论值的50%～80%左右。
因此为了进一步提高耐压值,采用结终端技术是很有必要的。
目前一般采取在肖特基边缘自对准注入A r形成非晶层或在结边缘处注入B+离子形成高阻层,然后进行热处理,这样可使器件的耐压超过1750V。
212 Si C FET器件由于Si C材料具有极高的击穿电场,故在具有相同耐压的情况下,漂移区电阻可减小两个数量级(相对于Si而言)。
表2列出了各种击穿电压下R on比值及漂移区长度比值,由表2可知,当电压超过200V时,Si C M O SFET的导通电阻R on 要比SiM O SFET低两个数量级。
因此从理论上讲耐压5000V、导通电阻为0118 c m2的DM O S 功率器件是可以实现的。
但是我们必须注意到目前影响Si C器件耐压的关键因素还是栅氧化、掺杂及欧姆接触等工艺的完善及成熟。
Si C M ESFET(如图1)及JFET等高频功率器件也是近几年Si C器件研究的一个重点。
在M ESFET中通常采用p层来实现隔离,而且采用高阻衬底代替导电衬底可大大提高截止频率。
由Charles.E.W eitzel等人研制的栅尺表2 Si与Si C材料制作的MOSFET(不同电压下)R on比值及漂移区长度比值R si,sp R sic,sp W si W sic电压 V50200100050005020010005000 6H2Si C921919812305193551912148 111681159 716929316 2810253314 5111 4H2Si C49138818177147291412148 116581159 1019729316 391953314 7314寸为017Λm×322Λm的4H M ESFET[5]具有38～42m S mm的跨导,最大工作频率为1219GH z。
1996年S.Sriram等人在高阻衬底上研制出来的4H2M ESFET最大工作频率可达42GH z,功率增益为511dB(f=20GH z),击穿电压超过100V;使之在高频应用中具有巨大的潜力。
表3给出了目前已经研制出来的最新M ESFET的各种参数比较。
表3 最新M ESFET参数比较材料栅长 Λm f T GH z f m ax GH z参照6H2Si C0151025S.Sriram 4H2Si C014143015A llen4H2Si C015131242S.Sriram 由表3可知,由于近年来采用高阻衬底及亚微米栅技术,使得MESFET的工作频率迅速上升。
对于具有同一尺寸的4H2MESFET采用导电衬底及高阻衬底可分别获得f m ax=25GH z 及f m ax=42GH z的高频功率器件。
相应的参数为:L G=015Λm;沟道掺杂为5×1017c m-3;n+掺杂大于1019c m-3。
213 其它Si C器件除了以上所述的Si C器件以外还有一些其它的Si C器件,如晶闸管器件、双极晶体管器件。
相对于M O SFET而言,Si C晶闸管更适合于高电流、高电压及高温条件下工作,而且不需要Si C栅氧化等一系列高难度工艺。
理论表明,Si C晶闸管可以在超高压(5～10keV)、超高电流范围内应用。
目前K.X ie等人研制出来一种高电流晶闸管,电流密度可达5200mA c m2,关断时间小于100n s,工作温度可在300℃以上。
相对于其它Si C器件而言,Si C双极晶体管的研究比较少一些。
Si C双极晶体管的增益比较低,一般为10左右。
这主要是由于基区的载流子寿命较短以及扩散系数较低所致,采用异质结(HB T)可适当改善这一问题。
目前的Si C HB T的截止频率可达31GH z以上,电流密度可达30000A c m2,比A lGaA s GaA s器件的电流能力大2倍以上;即使在450℃时其功率增益仍可达常温时的50%,而A lGaA s GaA s在此温度下早已失效。
图1 基本的Si C M ESFET图2 脉冲掺杂的金刚石M ESFET3 金刚石功率器件金刚石作为一种半导体材料,除了具有最高的硬度以外,它还具有大的禁带宽度、高的击穿电场、低的介电常数以及最高的热导率,其性能远远超过Si及其它宽禁带半导体材料,因此有人预言金刚石半导体器件将成为二十一世纪电子器件的主流。
预计到2000年,金刚石的市场贸易额将达到980亿美元,单价将下降到2～4美元 克。
