宽禁带功率MOSFET半导体器件的研究进展

宽禁带功率MOSFET半导体器件的研究进展半个世纪以来，功率半导体器件得到长足发展，极大地促进了电力电子技术的进步，而功率半导体器件的发展主要基于整个微电子领域的基石——硅材料。

19世纪80年代以来，硅材料本身的物理特性对硅基功率器件性能的限制被认识得越来越清晰。

实现低导通电阻的方法是提高材料的临界击穿电场，也就是选择宽禁带的半导体材料。

根据更符合实际应用，以及综合考虑功率器件的导通损耗、开关损耗和芯片面积等因素的估算，碳化硅、氮化镓和金刚石功率器件大大降低了损耗和器件面积，新型宽禁带半导体材料将引发功率器件的巨大进步。

同时，以碳化硅、氮化镓和金刚石为代表的宽禁带半导体材料具有较大的电子饱和速度，可以应用于射频器件领域。

碳化硅和金刚石具有较高的热导率，适用于对需要耗散较大功率并且半导体芯片热阻是系统热阻一个重要组成部分的大功率应用领域。

基于材料的优越性能，宽禁带半导体功率器件受到广泛关注和深入研究。

由于其器件性能的优势基本来源于材料本身，所以宽禁带半导体材料的研究是新型功率器件研究首先要面临的挑战。

2.碳化硅功率器件碳化硅SiC、氮化镓GaN和金刚石是典型的宽禁带半导体材料。

基于碳化硅材料的功率器件经过了长时间研究，已经具有较高的成熟度和可靠性。

2004年，Cree公司成功研发微管密度低于10cm-2的高质量3英寸4H-SiC材料，并投放市场。

2007年，该公司又推出了4英寸零微管密度的4H-SiC材料，可用于制作大尺寸的高功率器件。

目前Cree公司、II-VI公司、Dow Corning公司和Nippon Steel已经批量生产4英寸碳化硅晶圆。

2010年业界发布了6英寸的碳化硅晶圆。

150mm的晶圆毫无疑问会降低碳化硅器件制造成本，并且为4H-SiC功率器件的发展提供坚实基础。

2.1 碳化硅功率二极管碳化硅功率二极管有三种类型：肖特基二极管（SBD）、P-i-N二极管和结势垒控制肖特基二极管（JBS）。

由于存在肖特基势垒，SBD具有较低的结势垒高度。

因此，SBD具有低正向电压（范围从0.7V 到1.5V，取决于肖特基的金属材料及器件加工工艺）的优势。

但是，具有低正向导通电压的肖特基势垒通常会导致较高的反向漏电流。

值得注意的是，因为一种“镜像力”,其中一种需要进行外延重生长技术而另外一种不需要。

外延重生技术的使用范围有限并且稳定性差，而第二种技术存在以下的问题：为了能够获得性能良好、均匀的栅极阈值电压，器件的台面宽度和JFET的沟道宽度需达到亚微米的精确度，对深层各向异性刻蚀工艺的要求较高。

在工艺允许的范围内，常断型碳化硅JFET器件由于沟道较长较窄而具有较大的导通电阻。

此外，碳化硅JFET的栅极电压需要在2.7V以下，以在保证器件导通的同时避免较大的栅极驱动电流。

如果阈值电压为正值，通过栅极过偏置来实现低的通态阻抗的空间被降到最低，因此大大降低碳化硅JFET器件的静态性能和动态性能。

因此出现了另一种解决碳化硅JFET阈值电压问题的方法——级联。

碳化硅高压JFET 通常需要-20V~-10V的阈值电压，而具有标准阈值电压的低压MOSFET器件可以阻断30V左右的电压。

这个电路组合具有标准功率MOSFET相同的门极驱动特性，也具有高压碳化硅JFET 器件的电流电压特性。

此外，由于碳化硅JFET器件的栅极与MOSFET器件栅极的耦合和碳化硅JFET中的栅源电容减小，米勒效应被极大地削弱，大大提高器件的开关特性，其开关时间仅由负载电流和电路寄生效应决定。

由于其常通特性，碳化硅JFET比别的器件更适合用为限流器件。

目前，已由报道可以实现阻断电压高达11kV，比导通电阻为168 mΩ cm2的碳化硅JFET器件。

有研究报道在使用掩埋栅极结构和额外的衬底工艺后，器件处于700V的漏源电流时可以获得1.0 mΩ cm2的低比导通电阻。

目前Semisouth公司推出了阻断电压1.2kV，通态比电阻63mΩ cm2的碳化硅JFET器件，SiCED公司的碳化硅JFET器件阻断电压范围在800V至1.8kV，比导通电阻低至80 mΩ cm2。

2.4 碳化硅功率MOSFET器件功率MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。

在300V以下的功率器件领域，硅MOSFET是首选的器件。

研究人员认为，碳化硅MOSFET器件在3kV～5 kV领域将占据优势地位，因此，碳化硅功率开关器件的主要研究工作是针对基于碳化硅功率MOSFET器件。

碳化硅功率MOSFET面临的两个主要问题是器件在阻断状态时栅氧层的击穿问题和沟道电阻问题。

因为碳化硅的雪崩击穿电场很高，栅氧层将在碳化硅材料尚远未达到雪崩电场的时候就会出现可靠性问题，这严重限制了碳化硅功率MOSFET的阻断电压。

碳化硅MOSFET中由于材料中有碳原子，热氧化生长的栅氧层存在大量的表面态，并产生大量的陷阱，使得沟道电子的迁移率下降到最低10cm2/Vs，远远低于硅中的电子迁移率，增加了MOSFET的沟道电阻，严重制约了碳化硅MOSFET的性能的提高。

同时，栅氧层大量表面态和陷阱将大大影响器件的可靠性和长期稳定性。

近年来，有大量的研究针对改善碳化硅MOSFET栅氧层的问题。

第一个方法是在氮气中对热生长的栅氧层进行退火，包括在NO和N2O气体中的退火。

这个方法可以降低碳化硅MOSFET栅氧层中界面态的密度，显著提高MOSFET沟道电子迁移率。

有报道1.2V的碳化硅MOSFET器件，比导通电阻达到5mΩ cm2，其性能达到碳化硅的其他类型功率开关器件的水平。

第二个方法是适用碳化硅的<1120 >晶面来制作其栅氧层。

第三个方法是在富钠的环境中生长碳化硅MOSFET的栅氧化层，其沟道电子迁移率达到200 cm2/Vs，这个方法由于器件的稳定性方面的不确定性而不被广泛采用。

在双扩散金属氧化物半导体场效应管（DMOSFET）中， MOSFET的P体区是注入生成的，而在注入的P体区上生长热氧化层将比在外延层上生长热氧化层具有更大的挑战，所以实现低导通电阻的碳化硅MOSFET将遇到更多困难。

然而，碳化硅MOSFET器件的研发还是取得了显著进展，已有研究结果报道了具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件。

美国Cree公司报道了8.1mm×8.1mm，阻断电压10kV，电流20A的碳化硅MOSFET芯片，并可以通过并联模块得到100A的电流传输能力。

另外，在栅氧层的界面态对碳化硅MOSFET器件的长期稳定性影响方面，行业中还有没有达成一致的结论。

有些报道提出碳化硅及其MOSFET中氧化层的带阶结构带来的器件的高温可靠性问题。

而最近的报道显示了在350℃下碳化硅栅氧层良好的可靠性。

20年以来，碳化硅MOSFET栅氧层的可靠性得到明显提高。

这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是碳化硅MOSFET的一个显著的问题。

在碳化硅MOSFET研究领域，主要的研究机构是Cree、GE和Infineon公司。

这些公司目前能提供初步的1.2kV，10A～20A的碳化硅MOSFET商业样片。

预计在未来几年内，碳化硅MOSFET将实现商业化。

2.5碳化硅绝缘栅双极晶体管（SiC IGBT）和碳化硅晶闸管（SiC Thyristor）在高压应用领域（5kV～10kV以上），即使是碳化硅器件也需要一个足够的厚漂移层来实现电导率调制。

在硅功率器件领域，IGBT已经被接受为双极型功率器件的代表。

在碳化硅器件领域，高压碳化硅IGBT面临两个挑战。

第一个挑战与碳化硅MOSFET器件一样，沟道低电子迁移率导致高的沟道电阻。

第二个挑战是N型IGBT需要P型衬底，而P型衬底的电阻率比N型衬底的电阻率高50倍。

因此，为了避免高的衬底电阻，IGBT首先采用了P型结构。

1999年报道了第一个碳化硅IGBT器件。

最近报道了阻断电压12kV的碳化硅P型IGBT器件，并具有良好的正向电流能力。

2007年报道了具有优越正向导通特性的12kV碳化硅N型IGBT器件。

碳化硅IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比，微分电阻比单极碳化硅功率器件的理论值低，清晰地显示了碳化硅IGBT器件中的电导率调制效应。

关于碳化硅晶闸管，有报道介绍了1cm2的晶闸管芯片，阻断电压5kV，在室温下传输电流100A（电压4.1V），开启和关断时间在几十到几百纳秒。

3.氮化镓功率器件因为缺乏高品质的衬底，氮化镓材料通常生长在碳化硅、蓝宝石或者硅衬底上。

由于氮化镓与碳化硅的晶格失配最小，因此生长于碳化硅衬底的氮化镓拥有最好的品质，从而被广泛地应用于高功率射频（RF）领域。

由于碳化硅衬底的成本很高，因此基于碳化硅衬底的氮化镓在功率器件领域并没有引起广泛的关注。

近年来，氮化镓材料在硅衬底上的生长技术获得重大进步，这使得基于硅<111>晶面衬底的高品质氮化镓成为可能，克服了17％的晶格失配。

跟碳化硅技术相比，由于它在成本上大大降低，氮化镓功率开关器件开始得到广泛关注，并有大量关于基于硅衬底的氮化镓功率开关器件的报道。

现有多个研究团队致力于提高氮化镓外延层的均匀性并降低其缺陷。

基于AlGaN/GaN的异质结结构，氮化镓的宽禁带结构中具有独特的两维电子气现象（2DEG），氮化镓器件的优势主要来源于此。

在二维电子气结构中，电子密度达到1013cm-2，电子迁移率高于1200cm2/Vs。

这个迁移率比碳化硅表面的电子的迁移率明显要高，为实现低导通比电阻的功率器件提供了基础。

3.1 氮化镓二极管氮化镓二极管通过铂在AlGaN表面的积累形成肖特基接触来实现2DEG效应。

Ti/Al/Ti/Au金属层的结合能够形成阴极的欧姆接触。

这种基于硅的氮化镓肖特基二极管可以阻断1kV以上的电压。

有报道称基于蓝宝石衬底的氮化镓二极管有着高达9.7kV的阻断电压。

氮化镓肖特基二极管的功率开关器件的研发应该会和同等电压电流等级的氮化镓 HEMT器件同步发展。

3.2 氮化镓高迁移率晶体管（GaN HEMT）因为两维电子气的特性，氮化镓 HEMT器件广泛应用在功率开关器件和射频功率器件方面。

已报道了击穿电压1.3kV、导通比电阻1.7mΩcm2的氮化镓 HEMT器件，这种器件的性能已经超越了目前报道的碳化硅功率器件，比硅单极器件的极限值大约要好1000倍。

最近有报道导通电流大于5A、阻断电压大于600V、导通比电阻低至2.5 mΩcm2的氮化镓 HEMT器件，大于70A、500V的氮化镓 HEMT器件也见诸报道。

氮化镓 HEMT面临两个问题。

第一个问题是器件的阈值电压会趋于负值，这会导致一个类似于碳化硅 JFET器件相同的问题。

能用来提高氮化镓 HEMT器件阈值电压的办法不多，其中一个是通过引入带负电的氟离子实现低掺杂漏区，从而提高器件的阈值电压。