国外GaN功率器件衬底材料和外延技术研发现状

GaN基功率器件的衬底和外延技术的发展对于器件性能的提升和成本的降低起着非常重要的作用.介绍了国外SiC基、Si基以及新型金刚石基GaN功率器件衬底材料和GaN外延技术的研发现状.重点讨论了大尺寸衬底技术(6英寸SiC衬底、8英寸Si衬底)、GaN HEMT与Si CMOS器件异质集成技术以及金刚石基GaN HEMT材料集成技术的研发进展.分析了GaN功率器件材料技术的发展趋势,认为更大尺寸更高质量衬底和外延材料制作、外延技术的改进、金刚石等新型衬底材料研发以及GaN基材料与Si材料的异质集成技术等将是未来研究的重点.     

宽禁带半导体材料技术

宽禁带半导体材料是一种新型材料,具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高等特点,非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成电子器件;利用其特有的禁带宽度,还可以制作蓝光、绿光、紫外光器件和光探测器件,能够适应更为苛刻的生存和工作环境。在宽禁带半导体材料中,具有代表性的是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、金刚石以及氧化锌(ZnO),综合叙述了这些材料的特性、发展现状和趋势;并介绍了SiC、GaN、ZnO材料的应用情况和代表性器件的研究进展。     

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。     

金刚石衬底GaN HEMT研究进展

SiC衬底GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)综合了AlGaN/GaN异质结优异的输运特性与SiC衬底高导热性能,在高频、宽带、高效、大功率应用领域表现出显著的性能优势。但GaN外延材料中存在高密度的缺陷,影响了导电沟道的散热,散热问题成为影响GaN HEMT性能进一步发挥的主要障碍。本文分析了GaN外延材料高缺陷密度形成的原因,介绍了近年来国外正在开展的基于转移技术金刚石衬底GaN HEMT技术,解决GaN HEMT散热问题的研究进展。研究结果表明,基于转移技术的金刚石衬底GaN HEMT有望成为继SiC衬底GaN HEMT之后的下一代固态微波功率器件主导型器件技术。     

固态微波毫米波、太赫兹器件与电路的新进展(续)

正4 GaN HEMT20世纪90年代中期GaN HEMT诞生。GaN是宽禁带材料,具有电子饱和速度高、击穿场强高、SiC衬底导热性好、抗辐照等特点,且在AlGaN/GaN界面上存在自极化和压电等新的物理效应,其二维电子气密度高达2×1013 cm-2,因此GaNHEMT在微波毫米波具有高功率密度的能力。进入21世纪后,优化了SiC衬底上GaN异质结外延材     

国际要闻

<正>2015年SiC单晶的市场规模将达到300亿日元日本矢野经济研究所公布了电子部件等使用的SiC及GaN等单晶的市场调查结果。被该研究所称为功能性单晶的宽禁带(widegap)半导体用单晶以及非线形光学晶体等,大多尚未达到实用和量产水平。不过,预计今后市场有望扩大的是SiC以及GaN等。     

超宽禁带半导体Ga2O3微电子学研究进展

半导体材料Ga2O3是继宽禁带半导体材料SiC/GaN之后新兴的直接带隙超宽禁带氧化物半导体,其禁带宽度为4.5~4.9eV,击穿电场强度高达8MV/cm(是SiC及GaN的2倍以上),物理化学稳定性高,在发展下一代电力电子学和固态微波功率电子学领域具有较大的潜力。自2012年第一只Ga2O3场效应晶体管诞生以来,Ga2O3微电子学的研究呈现快速发展态势。本文综述了β-Ga2O3单晶材料和外延生长技术以及β-Ga2O3二极管和β-Ga2O3场效应管等方面的研究进展,介绍了β-Ga2O3材料和器件的新工艺、新器件结构以及性能测试结果,分析了相关技术难点和创新思路,展望了Ga2O3微电子学未来的发展趋势。     

GaN基材料及其外延生长技术研究

介绍了GaN基材料的基本特性、三种主要外延生长技术(MOCVD、MBE、HVPE)、衬底材料的选择及缓冲层技术;分析得出目前存在的GaN体单晶技术不完善、外延成本高、衬底缺陷及接触电阻大等主要问题制约了研究的进一步发展;指出今后的研究重点是完善GaN体单晶材料的生长工艺,以利于深入研究GaN的物理特性及有效地解决衬底问题,研究缓冲层的材料、厚度、组分等以提高GaN薄膜质量。     

高质量6英寸SiC基AlGaN/GaN HEMT外延材料

<正>南京电子器件研究所基于国产半绝缘SiC衬底研制出了高质量152.4 mm (6英寸)GaN HEMT外延材料。采用高温成核层调制生长技术,有效降低了大尺寸GaN外延材料的位错密度和圆片翘曲度,并利用温流场调控技术,大幅提升了片内均匀性,突破了国产半绝缘SiC衬底上高质量152.4 mm (6英寸)GaN HEMT外延材料制备关键技术。材料厚度为2μm,GaN(002)和(102)面摇摆曲线半高宽分别达到134     

MOVPE生长的GaN中有关Zn的电致发光特性

GaN是制造发蓝光器件的理想材料之一。在蓝宝石(0001)(C-面)衬底上用HVPE法(氢气气相外延法)己生长出GaN单晶。但是,要获得具有无裂痕的表面平滑的高质量GaN薄膜是相当困难的,这是因为在外延膜和衬底之间的热膨胀系数不同以及存在着较刀的晶格失配。在用MOVPE生长GaN之前预先沉积的AlN薄膜缓冲层对改进表面形态及未掺杂GaN膜的结晶质量有明     

2015年SiC单晶的市场规模将达到300亿日元

日本矢野经济研究所公布了电子部件等使用的SiC及GaN等单晶的市场调查结果。被该研究所称为功能性单晶的宽禁带（widegap）半导体用单晶以及非线形光学晶体等，大多尚未达到实用和量产水平。不过，预计今后市场有望扩大的是SiC以及GaN等。[第一段]     

宽禁带半导体市场纵横

宽禁带半导体是指禁带宽度Eg〉2．0—6．0电子伏特eV的半导体材料，具体包括碳化硅SiC、氮化镓GaN、氮化镓铝AIGaN等。这类材料的禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度快、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强、具有良好的化学稳定性，非常适合用来研制抗辐射、高频、大功率与高密度集成的半导体器件。利用其特有的禁带宽度，研制出蓝、绿光和紫外光发光器件及光探测器。     

晶体管级异质集成技术及其典型应用

晶体管级异质集成是后摩尔时代半导体微波器件技术发展的重点方向。介绍了针对平面和纵向两类不同结构器件分别开发的介质键合和金属键合两套外延层转移晶体管级异质集成工艺,研制出基于介质键合工艺的金刚石衬底GaN HEMT微波功率器件和基于金属键合工艺的SiC衬底GaAs PIN限幅器电路。测试结果表明,与常规的SiC衬底GaN HEMT器件相比,金刚石衬底GaN HEMT器件在高热耗工作下器件热阻减小超过50%,连续波工作输出功率和功率附加效率分别提高0.77 dB和5.6个百分点;与常规工艺的GaAs衬底限幅器相比,18～40 GHz SiC衬底GaAs PIN限幅器单片电路限幅电平基本一致,插入损耗改善约0.2 dB,耐功率能力提高3 dB以上。     

SiC外延衬底研究现状及其应用前景

随着国民经济发展"节能减排"任务的加剧,以及新兴电子系统变化的要求,电子系统对半导体元器件技术提出了高密度、高速度、低功耗、大功率、宽工作温度范围、抗辐射和高可靠等性能的要求。SiC单晶材料作为新兴的三代半导体衬底材料正好满足这些要求,被认为是制备微波器件、高频大功率器件、高压电力电子器件的优良衬底材料。分别介绍了传统Si-C-H体系和高速Si-C-H-Cl体系SiC外延工艺研究现状,同时介绍了新颖的高纯半绝缘SiC外延工艺研究状况。论述了SiC外延衬底在电力电子器件、微波器件等方面的应用,阐述了SiC外延衬底在未来节能减排、经济建设中的重要性。     

GaN基材料及其外延生长技术研究

介绍了GaN基材料的基本特性、三种主要外延生长技术（MOCVD、MBE、HVPE）、衬底材料的选择及缓冲层技术;分析得出目前存在的GaN体单晶技术不完善、外延成本高、衬底缺陷及接触电阻大等主要问题制约了研究的进一步发展;指出今后的研究重点是完善GaN体单晶材料的生长工艺,以利于深入研究GaN的物理特性及有效地解决衬底问题,研究缓冲层的材料、厚度、组分等以提高GaN薄膜质量。     

SiC和GaN电力电子器件的研究进展

与传统的Si基器件相比,SiC和GaN器件具有工作温度高、击穿电压高、开关速度快等优势,因此SiC和GaN材料是制备电力电子器件的理想材料。总结了近年来SiC和GaN电力电子器件的研究进展,包括二极管,MOSFET,JFET和BJT结构的SiC器件,以及SBD,PN结二极管,HEMT和MOSFET结构的GaN器件。     

基于片内热管理应用的碳化硅深孔刻蚀研究

针对传统SiC衬底GaN器件高功率密度工作时的热积累问题,开展基于芯片内部嵌入高热导率材料的GaN器件芯片级热管理技术研究。在实现工艺兼容性的基础上,采用反应离子刻蚀技术对GaN器件有源区下端的SiC衬底进行深孔刻蚀工艺研究,系统地分析了刻蚀气体、射频功率及腔室压强等工艺参数对刻蚀速率的影响,并结合能谱对刻蚀表面的质量和损伤进行分析。实验发现射频功率仅能影响刻蚀速率,而刻蚀气体和压强不仅影响其刻蚀速率,还影响其刻蚀表面质量。最终提出了一种基于反应离子刻蚀技术的SiC深孔刻蚀方法,对器件热管理和SiC深孔刻蚀技术具有重要的指导意义。     

超宽禁带半导体金刚石功率电子学研究的新进展

以SiC/GaN为代表的第三代半导体功率电子学已成为当今功率电子学创新发展的主流,超宽禁带半导体金刚石功率电子学将有可能成为下一代固态功率电子学的代表,受到研究人员的广泛关注。介绍了金刚石功率电子学的最新进展,如金刚石单晶、金刚石化学气相沉积同质和异质单晶外延、金刚石多晶外延、金刚石二极管、金刚石MOSFET、金刚石结型场效应晶体管、金刚石双极结型晶体管、金刚石逻辑电路、金刚石射频场效应晶体管和金刚石上GaN HEMT等。还介绍了金刚石材料的大尺寸、低缺陷和p型及n型掺杂等制备技术,金刚石新器件结构设计,金刚石新器件工艺,转移掺杂H端-金刚石沟道和金刚石/GaN界面热阻等研究成果。分析了金刚石功率电子学的发展由来、关键技术突破和发展态势。     

碳化硅单晶生长方面取得重大进展

近日 ,中科院物理所陈小龙研究员领导的科研小组在碳化硅 (SiC)晶体生长方面取得了重大进展。他们在自行研制的高温生长炉上 ,解决了物理气相传输法中生长SiC晶体的一些关键物理化学问题 ,成功地生长出了直径为 2英寸的SiC晶体 ,其X -射线衍射摇摆曲线达到 2弧分 ,微管密度已少于 10 0个 /cm2 (10× 10mm2 样品 ) ,这些表征SiC晶体质量的重要参数指标超过了目前Cree公司的部分商品的指标 ,为SiC单晶的国产化奠定了基础。以碳化硅 (SiC)及GaN为代表的宽禁带材料 ,是继Si和GaAs之后的第三代半导体。与Si相比 ,SiC具有宽禁带 (Si的 2…     

基于国产单晶衬底的150 mm 4H-SiC同质外延技术进展

高阻断电压、大功率密度、高转化效率是电力电子器件技术持续追求的目标,基于4H-SiC优异的材料特性,在电力电子器件应用方面具有广阔的发展前景。围绕SiC MOSFET器件对外延材料的需求,介绍了国内外主流的SiC外延设备及国产SiC衬底的发展,并重点介绍了宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室在国产150 mm(6英寸)SiC衬底上的高速外延技术进展。通过关键技术攻关,实现了150 mm SiC外延材料表面缺陷密度≤0.5 cm^-2,BPD缺陷密度≤0.1 cm^-2,片内掺杂浓度不均匀性≤5%,片内厚度不均匀性≤1%。基于自主外延材料,实现了650～1 200 V SiC MOSFET产品商业化以及6.5～15 kV高压SiC MOSFET器件的产品定型。