宽禁带半导体SiC功率器件发展现状及展望

碳化硅(SiC)是第三代半导体材料的典型代表,也是目前晶体生长技术和器件制造水平最成熟、应用最广泛的宽禁带半导体材料之一,是高温、高频、抗辐照、大功率应用场合下极为理想的半导体材料.文章结合美国国防先进研究计划局DARPA的高功率电子器件应用宽禁带技术HPE项目的发展,介绍了SiC功率器件的最新进展及其面临的挑战和发展前景.同时对我国宽禁带半导体SiC器件的研究现状及未来的发展方向做了概述与展望.     

SiC电力电子器件研究现状及新进展

由于硅材料本身的限制,传统硅电力电子器件性能已经接近其极限,碳化硅(SiC)器件的高功率、高效率、耐高温、抗辐照等优势逐渐突显,成为电力电子器件一个新的发展方向.综述了SiC材料、SiC电力电子器件、SiC模块及关键工艺的研究现状,重点从材料、器件结构、制备工艺等方面阐述了SiC二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、结晶型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)及模块的研究进展.概述了SiC材料、SiC电力电子器件及模块的商品化情况,最后对SiC材料及器件的发展趋势进行了展望.     

中科院物理所成功研制6英寸碳化硅单晶衬底

碳化硅(SiC)单晶是一种宽禁带半导体材料,具有禁带宽度大、临界击穿场强大、热导率高、饱和漂移速度高等诸多特点,被广泛应用于制作高温、高频及大功率电子器件。此外,由于SiC和氮化镓(GaN)的晶格失配小,SiC单晶是GaN基LED、肖特基二极管、MOSFET、IGBT、HEMT等器件的理想衬底材料。为降低器件成本,下游产业对SiC单晶衬底提出了大尺寸的要求,目前国际市场上已有6英寸(150mm)产品,预计市场份额     

1kW宽带线性SiC功率放大器设计

简述了SiC宽禁带半导体材料的特性,通过与传统Si半导体材料相比较,该材料在击穿电场强度、截止频率、热传导率、抗辐射能力、结温和热稳定性等方面具有明显优势。SiC宽禁带功率器件在输出功率、功率密度、工作频率、环境适应性等方面具有卓越的性能,在雷达发射机中有良好的应用前景。文中利用SiC宽禁带功率器件设计制作了L波段1 kW功率放大器,对SiC宽禁带功率放大器进行了性能测试,根据实验数据分析了SiC宽禁带功率器件对固态雷达发射机性能的改善。     

SiC及其功率器件的激光制孔研究进展

SiC作为第三代半导体材料的典型代表,因具有优异的物化性能,在功率器件领域具有极大的应用前景.文章简要介绍了激光制孔的基本原理,综述了 SiC的长脉冲与超短脉冲激光制孔研究进展,对比了长脉冲与超短脉冲激光的加工特点,分析了不同脉冲宽度下SiC的制孔效果.同时,介绍了 GaN/SiC,AlGaN/GaN/SiC等SiC功率器件的激光制孔研究现状.最后,指出了 SiC及其功率器件激光制孔面临的挑战,并展望了未来的发展方向.     

SiC 器件在雷达电源中的应用

现代雷达的发展迫切需要电源提升功率密度和效率。基于第三代半导体碳化硅(SiC)材料的功率器件在耐压等级、高频工作、高温性能等方面有较大优势。文中详细阐述了SiC 器件的特性和各类型SiC 功率器件的发展现状,分析了SiC功率器件在雷达电源中的应用方向,并基于SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)设计了阵面电源样机,完成了高开关频率性能测试。实验结果表明:SiC MOSFET 的高频工作能降低系统损耗,并提升电源功率密度。     

碳化硅器件发展概述

概要介绍了第三代半导体材料碳化硅(SiC)在高温、高频、大功率器件应用方面的优势,结合国际上SiC肖特基势垒二极管,PiN二极管和结势垒肖特基二极管的发展历史,介绍了SiC功率二极管的最新进展,同时对我国宽禁带半导体SiC器件的研究现状及发展方向做了概述及展望。     

SiC、GaAs和Si的高温特性比较

采用杂质半导体电导率的本征化和pn结热击穿方法研究了SiC、GaAs和Si材料的高温特性。理论计算表明Si、Ge、GaAs、3C－SiC和6H－SiC器件的最高工作温度分别为450、175、650、1500和2100℃。在室温至400℃以内，硅和砷化镓器件由于工艺成熟、性能稳定而成为主流，SiC材料的器件在大于500℃的特高温区和高温大功率方面则有巨大的优势。     

SiC和GaN电子材料和器件的几个科学问题

扼要地叙述了宽禁带半导体SiC和GaN电子材料和器件的发展状况,介绍了SiC多形体、AlGaN/GaN异质结极化效应、GaN器件的电流塌陷效应和陷阱效应、SiC和GaN器件的特征工艺问题(离子注入、金属化等)以及温度升高时SiC载流子的冻析效应等。     

SiC宽禁带功率器件在雷达发射机中的应用分析

介绍了SiC宽禁带半导体材料的特性,通过与Si和GaAs半导体相比较,该材料在击穿电场强度、截止频率、热传导率、抗辐射能力、结温和热稳定性等方面具有显著优点。SiC宽禁带功率器件,尤其在输出功率、功率密度、工作频率、工作带宽、环境适应性和总效率等方面具有卓越的性能,在雷达发射机中有良好的应用前景。文章还详细论述了现代雷达对SiC功率器件的具体指标要求。     

迅速发展的SiC半导体技术

ＳｉＣ半导体技术在近几年得到了迅速发展。与其它半导体材料相比，ＳｉＣ独特的热特性和电特性，在功率和频率性能方面具有最高的品质因数。ＳｉＣ还适应于高温和辐射环境。从结构上看，ＳｉＣ具有多种同质异型体。本文概括介绍了ＳｉＣ材料特性、晶体生长和器件研制的进展情况，以及ＳｉＣ的应用前景。     

Advances in SiC power MOSFET technology

In recent years, SiC has received increased attention because of its potential for a wide variety of high temperature, high power, high frequency, and/or radiation hardened applications under which conventional semiconductors cannot adequately perform. For semiconductor devices designed to operate in these harsh conditions, SiC offers an unmatched combination of electronic and physical properties. The availability of SiC wafers on a commercial basis has led to the demonstration of many types of metal-oxide semiconductor (MOS)-gated devices that exploit its unique properties. To which extent the potential of SiC power MOSFET can be utilized is a question of appropriate SiC polytype, device structure, MOS interface quality and maturity of the technology. This paper reviews the present status of the SiC power MOSFETs technology that is approaching commercialization. Emphasis is placed upon the impact of SiO₂–SiC interface quality on the performance of SiC MOSFETs.     

Formation of ohmic contacts to α-SiC and their impact on devices

The history of power electronic semiconductor devices is reviewed that leads to a discussion of new materials. The wide bandgap and good thermal conductivity of SiC permit its use at high temperatures, and the high electric field breakdown is favorable for high power devices. However, there remain a number of key problems with SiC semiconductor technology that must be solved before reliable production can begin. Difficulties with the insulator-to-SiC interface, SiC epitaxial material, passivation, doping, and stability of contacts drive viable device structures. One issue, the formation of electrical contacts, is described in more detail. In particular, the impact of SiC preparation procedures, surface roughness, and deposition conditions are discussed, e.g., variations in the chemical cleaning process affect the removal of overlayers and/or the roughneing of the SiC surface. Studies have shown that this cleaning or etching step can in turn affect device performance. At present, fabrication of the best quality contacts is interlinked with other material problems, and even to obtain adequately low resistivities, constraints are placed on the processing of devices.     

国外军事和宇航应用宽带隙半导体技术的发展

SiC和GaN等宽带隙半导体以其固有的高频、大功率、高温和抗恶劣环境应用潜力,在替代传统的Si和GaAs等器件应用于军事及宇航系统装备方面具有无可比拟的技术优势.概述了以SiC、GaN和金刚石等为代表的第三代半导体器件技术的发展现状,介绍了国外发达国家在发展宽带隙半导体技术上值得借鉴的一些做法,着重讨论宽带隙半导体技术对宇航及军事装备产生的重要影响,并展望了宽带隙半导体技术在宇航及军事应用中的发展前景.     

p型SiC欧姆接触理论及研究进展

碳化硅(SiC)具有宽禁带、高临界击穿电场、高热导率等优异特性,是制备高温、高频、大功率器件最理想的半导体材料之一。然而,制备良好的SiC欧姆接触尤其是p型SiC欧姆接触仍然是SiC器件研制中亟需攻克的关键技术难题。首先对p型SiC欧姆接触的形成机制及金属/SiC接触势垒理论进行了深入分析。然后,对近年来p型SiC欧姆接触的重要研究进展进行了综述,包括形成欧姆接触的金属体系,制备工艺条件,获得的比接触电阻率等,并重点讨论了p型SiC欧姆接触的形成机理。最后,对未来p型SiC欧姆接触的研究方向进行了展望。     

PVT生长掺V SiC单晶的扫描电镜二次电子像衬度

在用SEM观察沿单晶生长方向切割掺V SiC晶片时,发现其二次电子像存在衬度。表现为先生长部分较明亮,后生长部分较暗淡,中间存在明显突变。在用PVT生长掺V SiC单晶时,SiC单晶中同时含有浅施主N和深受主杂质V是补偿半导体。从补偿半导体载流子浓度计算出发,建立了二次电子像衬度与载流子浓度的对应关系,很好解释了这一实验现象。结果表明,SiC单晶生长过程中随着浅施主N的减少,n型载流子的浓度逐步减少;当其浓度与V相当时,载流子浓度突变,可瞬间减少10个量级,此后又缓慢减少。正是这种载流子的突变引发了扫描电镜二次电子像衬度。     

Positive temperature coefficient of breakdown voltage in 4H-SiC pnjunction rectifiers

It has been suggested that once silicon carbide (SiC) technology overcomes some crystal growth obstacles, superior SiC semiconductor devices would supplant silicon in many high-power applications. However, the property of positive temperature coefficient of breakdown voltage, a behavior crucial to realizing excellent power device reliability, has not been observed in 4H-SiC, which is presently the best-suited SiC polytype for power device implementation. This paper reports the first experimental measurements of stable positive temperature coefficient behavior observed in 4H-SiC pn junction rectifiers. This research indicates that robust 4H-SiC power devices with high breakdown reliability should be achievable after SiC foundries reduce material defects such as micropipes, dislocations, and deep level impurities