宽禁带半导体及器件的应用

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

SiC、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

WideBandgapSemiconductorPowerDevices

LiuHaitao,

ChenQixiu

(

InstituteofPowerDevices,

ZhejiangUniversity,

Hangzhou310027)

Abstract　

Thepaperpresentsthemaincharacteristicsofwidebandgapsemiconduc2

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Keywords　

Widebandgapsemiconductor　

Powerdevices　

SiC　

Diamond

1　引　言

由于

Si功率器件已日趋其发展的极限

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其在高频、高温及高功率领域更显示出其局限

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,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(

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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

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其中

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宽禁带半导体功率器件

刘海涛 陈启秀

摘要 阐述了宽禁带半导体的主要特性与SiC、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

Wide Bandgap Semiconductor Power Devices

Liu Haitao,Chen Qixiu

(Institute of Power Devices,Zhejiang University,Hangzhou 310027)

Abstract The paper presents the main characteristics of wide bandgap

semiconductors,and elaborates the latest development of SiC and diamond

power devices.At the same time,the future development of SiC and diamond

power devices is forcasted.

Keywords Wide bandgap semiconductor Power devices SiC

Diamond

1 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（WBG)主要是指禁带宽度大于2.2电子伏特的半导体材料，包括Ⅱ—O、Ⅱ—S、Ⅱ—Se、Ⅲ—N、SiC、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GaAs更适合于制作高温、高频及高功率器件。其中Johnson优值指数（JFOM＝Ec.vs/2π，Ec为临界电场；vs为电子饱和速率）、Keyes优值指数（KFOM＝λ［C.vs/4πε］1/2，其中C为光速；ε为介电常数）和Baliga优值指数（BFOM＝εμEG3,其中EG为禁带宽度，μ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,GaAs的比较。

宽禁带半导体材料与器件

一、引言

宽禁带半导体材料是一种具有较大带隙能量的半导体材料，其带隙能量通常大于3电子伏特（eV）。相对于传统的窄禁带半导体材料，宽禁带半导体材料具有独特的物理和电学性质，使其在光电子器件等领域具有广泛的应用前景。本文将介绍宽禁带半导体材料的特点、制备方法以及一些常见的宽禁带半导体器件。

二、宽禁带半导体材料的特点

1. 带隙能量大：宽禁带半导体材料的带隙能量大，使其能够吸收更高能量的光子，具有较高的光电转换效率。

2. 热稳定性好：宽禁带半导体材料的热稳定性较好，能够在高温环境下工作，适用于高温电子器件的制备。

3. 抗辐照性强：宽禁带半导体材料对辐射的敏感性较低，能够在辐射环境下工作，适用于核能、航天等领域的应用。

4. 电子迁移率高：宽禁带半导体材料的电子迁移率较高，电子在材料中的移动速度快，有利于电子器件的高速运算。

三、宽禁带半导体材料的制备方法

1. 气相沉积法：通过在高温下将气体中的半导体原子沉积在衬底上，形成薄膜材料。常用的气相沉积方法有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）等。

2. 液相法：将半导体材料的前驱体溶解在溶剂中，然后通过溶液的化学反应使其沉淀成固态材料。常用的液相法有溶胶-凝胶法和热解法等。

3. 固相法：通过高温反应使固态材料之间发生化学反应，生成宽禁带半导体材料。常用的固相法有熔盐法和固相扩散法等。

四、宽禁带半导体器件

1. 光电二极管：宽禁带半导体材料的高带隙能量使其能够吸收更高能量的光子，具有较高的光电转换效率。光电二极管利用了宽禁带半导体材料的这一特点，可用于光电转换和光通信等领域。

2. 激光器：宽禁带半导体材料的高带隙能量使其能够产生更高能量的光子，适用于激光器的制备。宽禁带半导体激光器具有较高的输出功率和较窄的谱线宽度，广泛应用于光通信、医疗和军事等领域。

3. 高温电子器件：宽禁带半导体材料的热稳定性好，能够在高温环境下工作，适用于高温电子器件的制备。宽禁带半导体材料可以用于制备高温传感器、功率器件等。

宽禁带半导体技术

李耐和

概述

根据半导体材料禁带宽度的不同，可分为宽禁带半导体材料与窄禁带半导体材料。若禁带宽度Eg＜2ev（电子伏特），则称为窄禁带半导体，如锗（Ge）、硅（Si）、砷化镓（GaAs）以及磷化铟（InP）；若禁带宽度Eg＞2.0-6.0ev，则称为宽禁带半导体，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、4H碳化硅（4H－SiC）、6H碳化硅（6H－SiC）、氮化铝（AIN）以及氮化镓铝（ALGaN）等。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件；而利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝、绿光和紫外光器件和光探测器件。因此，美国、日本、俄罗斯等国都极其重视宽禁带半导体技术的研究与开发。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于SiC和GaN技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；GaN技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入。

目前，多家半导体厂商演示了具有高功率、高功率附加效率（PAE）、高增益以及较宽工作带宽的宽禁带半导体。这些器件工作频率范围很宽，从不足1GHz到40GHz，而且性能优异。虽然自20世纪90年代以来的10多年时间里，SiC器件的演示结果非常喜人，但是高性能宽禁带器件的产量一直很低。一个主要原因就是无法得到理想的SiC基底――不但要具有足够高电阻系数，可以提供半绝缘特性，而且严重缺陷（如微孔）数量要足够低。由于没有高质量的基底，就无法通过宽禁带材料的同质/异质外延生长获得制作微波与毫米波器件所需的高度一致性、具有足够高电子迁移率的大尺寸晶片。

值得一提的是，在过去的3年里，SiC基底研制进展迅速，不仅圆片直径有所加大，而且缺陷数量与电阻率都达到了大批量生产性能优异的宽禁带器件与MMIC（单片微波集成电路）的技术要求。此外，宽禁带外延结构演示结果也令人满意。例如，GaNHEMT(高电子迁移率晶体管)在2.1GHz时饱和功率输出174W，PAE高达54%，其150W输出功率(2.1GHz)的线性增益为12.9dB。