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宽禁带半导体电力电子器件课件

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宽禁带半导体ZnO材料的调研 ppt课件

宽禁带半导体ZnO材料的调研 ppt课件

时产生空穴-电子对，因此具有吸收紫外线的功能。 纳米ZnO比普通ZnO对可见光的吸收弱得多，有很好的透过率，因此具有高度
的透明性。 纳米ZnO在阳光尤其在紫外线照射下，在水和空气（氧气）中，能自行分解出
自由移动的带负电的电子（e-），同时留下带正电的空穴（h+）。这种空穴可 以激活空气中的氧变为活性氧，有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧 化反应（包括细菌内的有机物），从而把大多数病菌和病毒杀死。 纳米ZnO应用于防晒化妆品中，不但使体系拥有收敛性和抗炎性，而且具有吸收 人体皮肤油脂的功效。
宽禁带半导体ZnO材料的调研
紫外线屏蔽性、透明性、灭菌性、光致发光。 纳米氧化锌在催化剂和光催化剂中的应用
纳米氧化锌具有优异的光催化活性。当氧化锌纳米粒子受到大于禁带宽度能 量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生了电子-空穴对，空穴能使 OH-生成氧化性很高的·OH 自由基，可以把许多难降解的有机物氧化成CO2 和H2O等无机物。
宽禁带半导体ZnO材料的调研
ZnO是一种理想的短波长发光器件材料。能以带间直接跃迁的方式获得高 效率的辐射复合。ZnO薄膜还具有较低的激射阈值，这主要是由于ZnO很 高的激子束缚能(室温下为60meV)可以大大降低低温下的激射阈值，而且 在室温下适当的激发强度，ZnO激子间的复合可取代电子-空穴对的复合， 因而可预期一个低的阈值来产生受激发射。
材料 禁带宽度（eV ）
晶格类型 晶格常数（A ）
熔点（K ） 热导率（Wcm-6K-1 ）
CET(10-6K-1 )
电子迁移率（cm2V-1s-1 ） 电子饱和速度（cms-1 ）
截止电压（Vcm-1 ）
宽禁带半导体参数比较
Zno 3.37 纤锌矿 a=3.250 c=5.205 2250 0.6 a=6.5 c=3.0 196 3.0 5.0
宽禁带半导体电力电子器件

宽禁带半导体电力电子器件


宽禁带半导体材料的禁带宽度较大，能够 在高温环境下保持稳定的性能，增强了电 力电子器件的可靠性和稳定性。
节能环保
推动技术进步
宽禁带半导体电力电子器件具有高效能、 低能耗的优点，有助于减少能源消耗和环 境污染。
宽禁带半导体电力电子器件的发展推动了 新能源、智能电网、电动汽车等领域的技 术进步和应用。
对未来研究和发展的建议
宽禁带半导体电力电子器件
目录
• 引言 • 宽禁带半导体材料 • 宽禁带半导体电力电子器件的种类 • 宽禁带半导体电力电子器件的应用 • 宽禁带半导体电力电子器件的挑战与前景 • 结论
01 引言
宽禁带半导体的定义
宽禁带半导体
指禁带宽度较大的半导体材料，通常 禁带宽度大于2.3eV。常见的宽禁带 半导体材料包括硅碳化物（SiC）、氮 化镓（GaN）和氧化锌（ZnO）等。
料之一。
GaN电力电子器件在电动汽车、可再生能源系统、智 能电网等领域也具有广泛应用前景，尤其在高压和高
温环境下表现出更高的性能优势。
宽禁带半导体的优势
高热导率
宽禁带半导体材料具有高热导率， 能够有效地将热量导出，提高器 件的散热性能和可靠性。
高击穿场强
宽禁带半导体材料具有高击穿场 强，能够承受更高的电压和电流， 提高器件的耐压能力和电流容量。
高频开关电源
宽禁带半导体电力电子器件具有高频 开关能力，可应用于高频开关电源， 减小电源体积和重量，提高电源转换 效率。
02 宽禁带半导体材料
硅碳化物（SiC）
硅碳化物（SiC）是一种宽禁带半导体材料，具有高热导率、高击穿场强、高电子饱 和迁移速度等优点。
SiC在高温、高压、高频和高功率应用领域具有优异性能，是制造电力电子器件的理 想材料之一。
宽禁带半导体ZnO材料的调研培训课件

宽禁带半导体ZnO材料的调研培训课件


ZnO薄膜的其它性质与应用
气敏特性 压敏特性 P—n结特性 压电特性
压电器件 太阳能电池 气敏元件 压敏元件 声表面波器件(SAW)
纳米氧化锌的性质和用途
纳米氧化锌的主要性质
表面效应 表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大 后所引起的性质上的变化。这种变化使其表面与内部的晶格振动产生了显 著变化，导致纳米材料具有许多奇特的性能。
非晶半导体材料 在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器，太阳能锂电池 薄膜晶体管等非晶体半导体器件。
化合物半导体材料 如今化合物半导体材料已经在太阳能电池，光电器件，超高速器件， 微波等领域占据重要位置，且不同种类具有不同的应用。
第三代半导体材料zno
Zn0是一种新型的宽禁带半导体材料。具有优异的晶格、光电、压电和介 电特性。
同时ZnO室温下的禁带宽度为 3.37eV，与GaN(3.4eV)相近而他的激子束 缚能远大于GaN( 25meV)等材料，因此在蓝紫光器件方面的应用比其它 半导体更有潜力,产生室温短波长发光的条件更加优越。
ZnO的紫外受激发射特性与应用
ZnO是一种理想的短波长发光器件材料。能以带间直接跃迁的方式获得高 效率的辐射复合。ZnO薄膜还具有较低的激射阈值，这主要是由于ZnO很 高的激子束缚能(室温下为60meV)可以大大降低低温下的激射阈值，而且 在室温下适当的激发强度，ZnO激子间的复合可取代电子-空穴对的复合， 因而可预期一个低的阈值来产生受激发射。
体积效应 当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边 界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化剂及熔点 等都较普通粒子发生了很大的变化，这就是纳米粒子的体积效应。
纳米氧化锌的性质和用途
电力电子半导体器件(IGBT)PPT课件

电力电子半导体器件(IGBT)PPT课件

第23页/共43页
二、驱动电路： 在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路，IGBT的输入特性与MOSFET几乎相
同，因此与MOSFET的驱动电路几乎一样。 注意： 1．IGBT驱动电路采用正负电压双电源工作方式。 2．信号电路和驱动电路隔离时，采用抗噪声能力强，信号
传输时间短的快速光耦。 3．门极和发射极引线尽量短，采用双绞线。 4．为抑制输入信号振荡，在门源间并联阻尼网络。
第29页/共43页
第30页/共43页
2．过电流的识别： 采用漏极电压的识别方法，通过导通压降判断漏极电流大小。进而切断门极控
制信号。 注意：识别时间和动作时间应小于IGBT允许的短路过电流时间（几个us），
同时判断短路的真与假，常用方法是利用降低门极电压使IGBT承受短路能力增加， 保护电路动作时间延长来处理。 3．保护时缓关断：
由于IGBT过电流时电流幅值很大，加之IGBT关断速度快。如果按正常时的关 断速度，就会造成Ldi/dt过大形成很高的尖峰电压，造成IGBT的锁定或二次击穿， 极易损坏IGBT和设备中的其他元器件，因此有必要让IGBT在允许的短路时间内采 取措施使IGBT进行“慢速关断”。
第31页/共43页
第32页/共43页
随导通时间的增加，损耗增大，发热严重，安全区逐步减小。 2．RBSOA： IGBT关断时反向偏置安全工作区。
随IGBT关断时的重加dVDS/dt改变，电压上升率dVDS/dt越大，安全工作区越小。通过 选择门极电压、门极驱动电阻和吸收回路设计可控制重加dVDS/dt，扩大RBSOA。
最大漏极电流
第16页/共43页
1．正偏电压VGS的影响
VGS增加时，通态压降下降，开通时间缩短，开通损耗减小，但VGS增加到一定 程度后，对IGBT的短路能力及电流di/dt不利，一般VGS不超过15V。（12V~15V）
第五章-宽带隙半导体材料PPT课件

第五章-宽带隙半导体材料PPT课件

▪ 2005年 MBE制备的ZnO基p-i-n同质结LED和MOCVD 制备的ZnO基p-n同质结LED的初步实现，让人们 看到了ZnO固体照明和激光工程应用的曙光。
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目前ZnO半导体研究热点
ZnO p型掺杂
初步进展: 通过N单掺或共掺方法可获得空穴浓度 达1019cm-3；P、As和Sb的掺杂可获得1018cm-3的 空穴浓度；初步实现ZnO同质LED。
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6
氮化物研究的几个重大突破
▪ 1986年，日本的科学家Amano和Akasasi利用MOCVD技术 在AlN缓冲层上生长得到高质量的GaN薄膜。
▪ 随后他们利用低能电子束辐照(LEEBI)技术得到了Mg掺 杂的p型GaN样品，视为GaN研究发展的另一重大突破。 1989年，他们研制出第一个p-n结构的LED。
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ZnO基纳米结构
▪ 2001年 蓝宝石衬底上实现ZnO自组装纳米 线阵列紫外受激发射的实现，引起了人们 对ZnO纳米材料与器件研究的极大兴趣。
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ZnO的能带结构
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ZnO的PL光谱
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ZnO的制备技术
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ZnO的器件应用
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部分化合物半导体的带隙宽度
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氮化物三元合金的X射线衍射谱
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宽带隙半导体材料的特点
▪ 压电性与极化效应 ▪ 高热导率 ▪ 小介电常数 ▪ 极高临界击穿电场 ▪ 耐高温、抗辐射 ▪ 大激子束缚能 ▪ 巨大能带偏移
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电力电子技术基础课件：电力电子器件

电力电子技术基础课件：电力电子器件


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2.1 电力电子器件概述
3、电力电子器件的分类
2）按照控制信号的性质分：
电流驱动型：SCR、GTO、GTR； 电压驱动型：MOSFET、IGBT。
3）按照控制信号的信号波形分：
脉冲触发型
电平控制型
4）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分：
单极型器件
双极型器件
复合型器件 11
思考：晶闸管的出现带来了电气工程领域的哪些变化？
对人类生活社会产生了哪些影响？
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2.3半控型电力电子器件-晶闸管
1、晶闸管的结构
晶闸管为“三端四层”结构。
“三端”指外部有三个极：阳极A，阴极K，门极G；
“四层”指内部有“四层三个PN结”,即四层半 导体P1、N1、P2、N2形成三个PN结。
不论阳极和阴极间施加什么样的电压，总 有PN结被反向偏置，SCR不会导通。
电路3：阳极与阴极之间经指示灯与负电源相连， 门极接负电源，指示灯不亮；
电路4：阳极与阴极之间经指示灯与负电源相连， 门极接正电源，指示灯不亮。
由电路3和电路4知，当晶闸管阳极和阴 极之间施加负电压时，无论门极施加什么样的 电压，晶闸管不会导通。
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2.3半控型电力电子器件-晶闸管
2、晶闸管的开通与关断条件
电力二极管的主要参数有额定电压、额定电流、结温、管压降等。 1）额定电压
能够反复施加在二极管上，二极管不会被击穿的最高反向 重复峰值电压URRM。
在使用时，额定电压一般取二极管在电路中可能承受的最 高反向电压，并增加一定的安全裕量，如下式：
式中 （2~3）——电压安全裕量；UDM——二极管承受的最大峰值电压。19
那么晶闸管怎么能关断呢？
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宽禁带半导体ppt课件

宽禁带半导体ppt课件


1490
1510
1770
k=1.313
k=0.46
k=1.13
2021精选ppt
7
2021精选ppt
8
Ⅲ-V族GaN基系列半导体材料，主要 包括GaN、AlN、InN、AlGaN、 InGaN和AlGaInN等。室温直接带隙 宽度分别为InN（0.7eV）、GaN （3.4eV）、AlN（6.2eV），三元合 金的带隙变化0.7eV - 6.2eV所对应的
• What’s the third luminescence reverlution (TLR) ?
• The relationship between TGS and TLR • 国家半导体照明工程 • ZnO • AlN
2021精选ppt
5
什么是第三代半导体(TGS)?
• 第一代半导体: 以 Si 为代表( 以Si, Ge 等元素半导体为主）；
2021精选ppt
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AlN
2021精选ppt
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AlN纤锌矿结构
AlN闪锌矿结构
明领域将发生第三次革命（气体发 光 固体发光）；
2021精选ppt
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发光二极管（LEDs）
• 属于固体冷光源。是由半导体材料做成的pn结，在正向偏压下以自发辐射的形式进行 发光的发光器件;
• 它象一块汉堡包，中间层是一种将电能转 换为可见光的半导体材料，上下两层是电 极，光的颜色根据材料的不同而有变化。
2021精选ppt
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LEDs have several advantages over conventional incandescent lamps. For one thing, they don't have a filament that will burn out, so they last much longer. Additionally, their small plastic bulb makes them a lot more durable. They also fit more easily into modern
宽禁带半导体电力电子器件课件

宽禁带半导体电力电子器件课件


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5
Voltage(V)
肖特基二极管I-V特性
谢 谢！
四 研究基础
中国科学院微电子研究所研究基础：
1. 在SiC器件的工艺方面的研究
2.
已进行SiC材料的刻蚀、减薄工艺，器件的设计与制备
等方面的研究。
开展了SiC材料ICP刻蚀参数优化、刻蚀掩模的确定及其选择比优 化等刻蚀技术的研究。
• 研究场限环、结终端延伸等终端保护技术 对器件击穿特性的影响，包括场限环间距、 宽度、掺杂浓度、结深度等因素，以及结 终端延伸的长度、深度、浓度等因素对器 件内部电场分布的影响，获得合理的结终 端保护结构计，从而优化器件结构。
（3）器件的可靠性及失效机理研究。 包括SiC电力电子器件反向漏电流机理研究，高温下SiC材料的欧姆接触、 肖特基接触、SiO2/SiC界面态、SiC器件的导通、击穿和开关速度等特性的 可靠性研究等。
二、 研3 究研究内内容容、拟解决的技术难点
拟解决的技术难点：
（1）器件的合理化设计。 （2）SiC的热氧化技术。 可靠性及失效机理研究。SiC材料的欧姆接触，SiO2/SiC界面 态，器件的导通、击穿和开关速度等特性的可靠性研究。② SiC
型、碰撞电离模型和隧道效应模型。对SiC肖特基结势垒二极管中的p
利用仿真模拟软件对SiC高压二极管器件的能带图、电场分布等特性进行仿真计算， 分析器件中载流子输运机理，研究器件结构及场板、场环和结终端延伸等不同终端 保护技术对器件击穿特性的影响机理，从而设计和优化器件结构，获得合理化器件 结构。
对于IGBT器件，影响器件的阻断电压的主要因素，包括漂移层的厚度和载流子浓 度；影响器件通态压降的因素，包括反型层沟道的迁移率、pnp晶体管的注入效率 以及p型发射极的欧姆接触电阻等；影响器件的开关速度的因素，包括基区的少子 寿命，厚度和掺杂浓度等。在此基础上，利用数学计算工具、仿真模拟软件等对 SiC IGBT器件结构参数，包括阻挡层的厚度及掺杂浓度、漂移层的厚度及掺杂浓度、 沟道长度、发射区掺杂及深度、基区掺杂及深度等器件结构参数和SiC的材料参数， 包括载流子寿命、界面态密度等，对IGBT器件内部的能带图、电场分布，器件的转 移特性、输出特性、击穿电压等静态特性，开关速度等动态特性，进行模拟仿真， 分析器件器件结构参数和材料参数对器件性能的影响机理；合理解决器件通态压降
电力电子半导体器件分类高等电力电子技术ppt课件

电力电子半导体器件分类高等电力电子技术ppt课件

2.封装的减小 相同额定电流的COOLMOS的管芯减小为传统 MOSFET的1/3~1/4，所以COOLMOS的封装也可以大大减小。
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高等电力电子技术
1.2.3 COOLMOS
不过，由于“超级结”结构在电荷均衡的工艺上有一定的难度，所以 制造阻断电压1000V以上的COOLMOS具有较大的困难。此外， COOLMOS的内部寄生反向二极管的反向恢复特性和电导率难以达到传 统MOSFET的技术指标，所以COOLMOS一般不适用于中大功率变流器 装置。
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高等电力电子技术
1.1.3 电力晶体管
电力晶体管有四种类型：①BJT，②电力MOSFET，③IGBT和④ SIT。其中IGBT和电力MOSFET是最为广泛应用的电力电子器件，大到 直流输电，小到生活中的各种家用电器，到处都可以见到这两种器件的 身影。由于这两种器件主要应用于中等功率场合，相对于功率容量的提 升，各家器件公司主要将发展和竞争重点放在损耗的降低上，纷纷推出 新一代的IGBT和MOSFET器件，其中较为典型的技术优化为沟槽型门极 结构和垂直导电技术的广泛应用， IGBT方面还有场终止技术、空穴阻抗 技术等，功率MOSFET方面的典型代表则为“超级结”技术。新的半导 体材料在这两种器件上的应用则基本停留在实验室阶段。
通态导通电阻Ron可表示为： RON=RCS+RN++RCH+RA+RJ+RD+RN++RCD
式中，RCS为源极阻抗；RCH为沟槽阻抗；RJ为JFET区阻抗；RN+为N+ 衬底阻抗；RA为缓冲区阻抗；RD为N-漂移区阻抗；RCD为漏极阻抗。 9
高等电力电子技术
1.2.2 “超级结”结构
正如上面所说，在功率半导体器件发展的历史上最重要的问题就是 寻求如何通过新的器件结构和半导体材料来改善耐受电压和导通压降之 间的矛盾。功率MOSFET作为单极型器件，需要在耐受电压和导通电阻 之间做一个综合考虑，同时在不降低器件性能的前提下减少器件尺寸。
宽禁带半导体电力电子器件(ppt)

宽禁带半导体电力电子器件(ppt)


四、 研究方法、技术路线和可行性分析
技术路线：
器件的结 构设计
外延材 料生长
离子注入 退火技术 热氧化技术 欧姆接触 肖特基接触
最大电子饱和速度 (107cm/s)
Si 1.12 11.8 1.5 0.3 1500 425
0.9
GaAs 1.43 12.5 0.54 0.4 8800 400
3C-SiC 2.4 9.72 3.2 2.12 800 40
4H-SiC 3.26 10 3.7 2.2 1000 115
6H-SiC 3.0 9.66 4.9 2.5 400 100
（3）器件的可靠性及失效机理研究。 包括SiC电力电子器件反向漏电流机理研究，高温下SiC材料的欧姆接触、 肖特基接触、SiO2/SiC界面态、SiC器件的导通、击穿和开关速度等特性的 可靠性研究等。
二、 研3 究研究内内容容、拟解决的技术难点
拟解决的技术难点：
（1）器件的合理化设计。 （2）SiC的热氧化技术。 可靠性及失效机理研究。SiC材料的欧姆接触，SiO2/SiC界面 态，器件的导通、击穿和开关速度等特性的可靠性研究。② SiC
一、 国内外发展现状与趋势
电力电子器件的发展趋势：
更大导通电流容量、更高阻断电压及更高功率容量； 低通态电阻和低通态压降； 更快的开关速度和更高的工作频率等方向发展。
二、 研3 究研究内内容容、拟解决的技术难点
SiC电力电子器件的主要研究内容：
（1）SiC电力电子器件的器件物理研究。 包括SiC高压二极管及SiC-MOSFET晶体管的材料结构设计，器件的耐压 解析模型的建立，场板、场限环及结终端延伸等终端保护技术在器件上的应 用与设计，完善宽禁带SiC功率器件结构优化设计理论等。 （2）SiC电力电子器件制备的关键技术研究。 包括SiC材料的欧姆接触、肖特基接触的研究，SiC离子注入及退火技术 研究，SiC表面处理及高性能的氧化层制备技术研究，SiC材料的低损伤刻蚀 技术研究，及其各关键工艺技术的整合等内容。
宽禁带半导体材料新进展课件

宽禁带半导体材料新进展课件

详细描述
宽禁带半导体材料在生物医学领域的应用主要集中在生物传感器、生物成像、药物递送等方面。这些 应用能够实现高灵敏度的生物分子检测、高分辨率的生物成像以及精确的药物递送，为生物医学研究 提供了新的工具和方法。
05
宽禁带半导体材料新进展及前 景展望
Chapter
新材料研发进展
氮化镓（GaN）研究
THANKS
感谢观看
氮化镓是一种宽禁带半导体材料，具有高击穿电场、高热导率等优点，近年来在电力电子、光电子等领域得到了广泛 应用。研究者们正在不断探索提高氮化镓材料质量、降低成本的新途径。
碳化硅（SiC）研究
碳化硅也是一种宽禁带半导体材料，具有高熔点、化学稳定性好等优点，主要用于高温、高压、高频等场合。研究者 们正在探索提高碳化硅材料质量、降低成本的新途径，并开发新的加工技术和应用领域。
新能源汽车
新能源汽车的快速发展对电力电子器 件的性能提出了更高的要求，宽禁带 半导体材料具有高热导率、高击穿电 场等优点，适用于制造高效、可靠的 电力电子器件。例如，氮化镓可以用 于制造高效、高频的功率开关器件， 碳化硅可以用于制造高效、可靠的功 率模块。
智能制造
智能制造领域对高精度、高效率的电 子器件有着广泛的需求，宽禁带半导 体材料具有高稳定性、高可靠性等优 点，适用于制造高精度、高效率的电 子器件。例如，碳化硅可以用于制造 高效、可靠的功率转换器件，氧化锌 可以用于制造高速的光电传感器。
发展前景展望
01
提高性能
随着科技的不断发展，对宽禁带半导体材料的性能要求也越来越高。未
来，研究者们将继续探索新的工艺和技术，提高材料的性能和可靠性。
02 03
降低成本
宽禁带半导体材料目前仍然存在成本较高的问题，这限制了其广泛应用 。未来，研究者们将致力于探索新的制备方法和工艺，降低材料的成本 。

《半导体器件》课件


总结词
高效转换，环保节能
详细描述
在新能源系统中，半导体器件用于实现高效能量转换和 环保节能。例如，太阳能电池板中的硅基太阳能电池可 以将太阳能转换为电能，而LED灯中的发光二极管则可 以将电能转换为光能。
THANKS
感谢观看
总结词
制造工艺复杂
详细描述
集成电路的制造工艺非常复杂，需要经过多个步骤和工艺 流程。制造过程中需要精确控制材料的物理和化学性质， 以确保器件的性能和可靠性。
总结词
具有小型化、高性能、低功耗等特点
详细描述
集成电路具有小型化、高性能、低功耗等特点，使得电子 设备更加轻便、高效和节能。同时，集成电路的出现也推 动了电子产业的发展和进步。
总结词
由半导体材料制成
详细描述
双极晶体管通常由半导体材料制成，如硅或锗。这些材料 在晶体管内部形成PN结，是实现放大和开关功能的关键 结构。
总结词
正向导通，反向截止
详细描述
在正向偏置条件下，双极晶体管呈现低阻抗，电流可以顺 畅地通过。在反向偏置条件下，双极晶体管呈现高阻抗， 电流被截止。
场效应晶体管
05
CATALOGUE
半导体器件的应用
电子设备中的半导体器件
总结词
广泛使用，基础元件
详细描述
在电子设备中，半导体器件是最基本的元件 之一，用于实现信号放大、传输和处理等功 能。例如，二极管、晶体管和集成电路等是 电子设备中不可或缺的元件。
通信系统中的半导体器件
总结词
高速传输，信号处理
详细描述
在通信系统中，半导体器件用于信号的高速 传输和处理。例如，激光二极管用于光纤通
总结词
通过电场控制电流的电子器件

宽禁带半导体ppt课件

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接下来用UV光通过掩模版的透光区使光刻胶曝光， 如图（b）所示。掩模版是预先制备的玻璃或石英版， 其暗区上可复以制阻有挡需U要V转光移线到通S过iO。2薄曝膜光上区的域图中形的。光掩刻模胶版会发的
生光化学反应，反应的类型与光刻胶的种类有关。对
于负性光刻胶，在经过光照的区域会发生聚合反应，
变得难以去除。浸入显影剂之后，曝光区域发生聚合
48
a
49
光刻对准及套准偏差 接近式和接触式曝光的对准为人工对
准，误差大，时间长 投影式光刻为自动对准，准确，速度
快
50
光刻技术趋势
随着集成电路工艺的发展，目前主流的光学光 刻技术已达到0.13mm，接近光学光刻技术的极 限
下一代的光刻技术：X射线光刻和电子束光刻 X射线曝光特点：分辨率高，系统复杂，制版困
以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽 缸体的内壁，可提高其耐磨性
用以制成的高级耐火材料 低品级碳化硅（含SiC约85％）是极好的脱氧剂，
用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提 高钢的质量 碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒
7
氧化及工艺
8
硅的热氧化
制备SiO2的方法
热氧化法 化学气相淀积法 热分解淀积法 溅射法 真空蒸发法 阳极氧化法等
碳化硅又称碳硅石、金钢砂或耐火砂。 在当代C、 N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应 用最广泛、最经济的一种
3
晶体结构：六方α-SiC和立方体的β-SiC(称立方 碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子 的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现 70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC
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宽禁带半导体材料新进展PPT课件


写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
谢谢你的到来
学习并没有结束，希望大家继续努力
GaN材料新进展
阻碍GaN材料发展的因素
没有合适的单晶衬底材料 位错密度太大 无法实现p型轻掺杂
氮化镓器件的衬底选择
晶格失配率小的材料 硅、碳化硅和蓝宝石 （ 其 中 碳化硅与氮化镓匹配得更好 一些,二者的晶格失配仅有3.3%, 而蓝宝石和氮化镓的晶 格失配高达14.8% ， 此外,碳化硅的 热 导 率 比氮化镓高,对 改善大功率器件的温度特性也大有好处） 因此，目前，选用SiC作为衬底生长GaN是许多研究者关 注的一个方面。
10ganaln4hsic新型光触发功率半导体器件工作原理发射极零偏压集电极正偏压基区注入光脉冲时载流子在能带之间跃迁并导致电子空穴倍增当基区中的光生电子向集电区移动时空穴就会复合掉一小部分从发射极注入的电子大多数未被复合的电子就到达集电极随着光脉冲的断开基区中载流子快速复合psd便处于关态同时异质pn结将承受很大的发射极集电极电压11ganaln4hsic新型光触发功率半导体器件12未来展望随着宽禁带半导体材料工艺技术的不断进步成熟新结构的功率半导体器件的应用越来越广泛
宽禁带半导体材料与器件应用 新进展
SiC-AlN-GaN材料与器件新进展
报告者：杨勇
主要内容
• 几种主要半导体材料的物理属性 • 宽禁带半导体材料新进展 • GaN-AlN-(4H)SiC新型光触发功率
半导体器件
• 未来展望
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三、 研究目标、技术指标
研究目标：SiC功率整流器和功率开关的研制
技术指标：
SiC 功率二极管，器件的阻断电压大于4500V，最高 正向导通电流不小于100A，开关频率不少于100kHz； SiC 功率开关最高正向阻断能力不低于4500V，最高 正向导通电流不少于50A，开关频率不少于100kHz； 器件经过高温（200）反偏、温度循环、功率循环、 温度和湿度试验。
•已商业化。
SiC 整
PIN器件
流
器
耐压高于肖特基器件， •2001年，利用结终端延伸技术，日本报道了耐压至 开关速度低于肖特基器 19.5kV 的 4H-SiC 的台面型 pin 二极管。 件
结势垒肖 结合了pn结和肖特基结 •2007年美国的Cree公司研制了SiC 10 kV /20 A的结势
电力系统的精简
SiC功率器件与最Si新器PP件T 相比的优点
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一、 国内外发展现状与趋势
表2 不同结构的SiC 电力电子器件的特点及研究现状
器件结构 特点
实验室研究最高水平及商业化状况
肖特基器 开关速度快
•2003年，美国Rutgers大学报道了阻断电压超过10kV
件（SBD）
的4H-SiC的肖特基器件，比导通电阻为97.5 mΩ·cm2。
型 JFET 开 关
高速的开关性能
•2004年，美国Rutgers大学报道击穿电压为11kV、比导 通电阻为130mΩ·cm2的SiC-JFET器件。 •已有1200V和1800V、15A～30A的商业样品。
SiC BJT 双 极 型 IGBT
开关速度与MOSFET相 当，驱动电路较 MOSFET器件复杂
肖特基接触、SiO2/SiC界面态、SiC器件的导通、击穿和开关速度等特性的
可靠性研究等。
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二、 研3 究研究内内容容、拟解决的技术难点
拟解决的技术难点：
（1）器件的合理化设计。 （2）SiC的热氧化技术。 可靠性及失效机理研究。SiC材料的欧姆接触，SiO2/SiC界面 态，器件的导通、击穿和开关速度等特性的可靠性研究。② SiC
离子注入以及掺杂离子激活 在碳化硅器件研究中，掺杂注入要求在高温注入之后高温退火激活注入离子。对
于离子注入的最大深度、最高浓度分布状态以及标准偏差分布进行计算，在研究中 采用相应的注入能量、剂量，得到所需要的注入离子分布状态。与硅材料中掺杂离 子基本处于激活态不同，碳化硅材料中的掺杂离子一般条件下只有部分处于激活状 态，并且其激活的比率与多种因素直接相关。在碳化硅材料中的注入离子激活能比 较高，对于同一种离子，随着注入离子浓度、注入能量的不同，离子在不同条件下 激活之后可能产生不同的的深能级，形成不同导电类型的掺杂。因此，离子注入掺 杂激活机理的研究对于实现设计的掺杂目的是必不可少的。
特征 禁带宽度(eV) 相对介电常数 热导率(W/K·cm) 击穿电场(106 V/cm) 电子迁移率(cm2/s·V) 空穴迁移率(cm2/s·V)
最大电子饱和速度 (107cm/s)
Si 1.12 11.8 1.5 0.3 1500 425
0.9
GaAs 1.43 12.5 0.54 0.4 8800 400
适合于中高压等级
•2004年，美国Rutgers大学报道击穿电压为9.2 kV，比
导通电阻为33mΩ·cm2的的SiC BJT器件。
•最已新有P12P0T0V/6、20A的商业样品。
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•2007年，Purdu大学研制了阻断电压高达20kV的SiC
一、 国内外发展现状与趋势
电力电子器件的发展趋势：
更大导通电流容量、更高阻断电压及更高功率容量； 低通态电阻和低通态压降； 更快的开关速度和更高的工作频率等方、 研3 究研究内内容容、拟解决的技术难点
SiC电力电子器件的主要研究内容：
（1）SiC电力电子器件的器件物理研究。
包括SiC高压二极管及SiC-MOSFET晶体管的材料结构设计，器件的耐压 解析模型的建立，场板、场限环及结终端延伸等终端保护技术在器件上的应 用与设计，完善宽禁带SiC功率器件结构优化设计理论等。
宽禁带半导体电力电子器件 研究
中国科学院微电子研究所
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主要内容
一、 国内外发展现状与趋势 二、 研究内容、拟解决的技术难点和创新点 三、 研究目标、技术指标 四、 研究方法、技术路线和可行性分析 五、 年度进展安排
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一、 国内外发展现状与趋势
宽禁带半导体材料优越的物理化学特性
特基器件 构的优点，耐压和开关 垒肖特基二极管。
（JBS） 速度介于两者之间
•已有商业化样品。
SiC MOSFET 高速的开关性能、低导 •2004 年，美国的Cree公司报道阻断电压高达10 kV，
单
通电阻
比导通电阻为123 mΩ·cm2的4H-SiC DMOSFET。
极
•已有1200V /10、20 A的商业样品。
（2）SiC电力电子器件制备的关键技术研究。
包括SiC材料的欧姆接触、肖特基接触的研究，SiC离子注入及退火技术 研究，SiC表面处理及高性能的氧化层制备技术研究，SiC材料的低损伤刻蚀 技术研究，及其各关键工艺技术的整合等内容。
（3）器件的可靠性及失效机理研究。
包括SiC电力电子器件反向漏电流机理研究，高温下SiC材料的欧姆接触、
3C-SiC 2.4 9.72 3.2 2.12 800 40
4H-SiC 3.26 10 3.7 2.2 1000 115
6H-SiC 3.0 9.66 4.9 2.5 400 100
GaN 3.4 9.5 1.3 2.0 1000 200
1.3
2.2
2
2
2.5
表 1 几种SiC 多型体及其它常见半导体材料的性能比较
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四、 研究方法、技术路线和可行性分析
技术路线：
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一、 国内外发展现状与趋势
与Si器件的优点
效果
器件产生的损耗减少 (导通电阻减至数分之一)
★热导率约为Si的3倍 ★绝缘耐压约为Si的7~10倍
可高频工作
周边部件尺寸减小
★电子饱和速度约为Si的2倍以上
可在高温下工作
★带隙约为Si的3倍 ★熔点约为Si的2倍
冷却装置尺寸减小 或省去
电力系统中电力损 耗的减少