氮化鎵和碳化硅的應(yīng)用

《氮化鎵和碳化硅的應(yīng)用》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、氮化鎵和碳化硅在高頻率電源開關(guān)中的應(yīng)用前g對于寬帶隙(寬禁帶)材料和設(shè)備的研究工作己經(jīng)持續(xù)許多年了，這些材料的特性令設(shè)計者非常滿意，因為寬的帶隙設(shè)備顯著的性能改善超過了以硅為棊礎(chǔ)的其他材料。他們在高溫度下、高功率密度下、高電壓下和高頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，使他們在未來的電子系統(tǒng)中的使用非常令人關(guān)注。對未來的開關(guān)和高頻功率應(yīng)用方面大有前途的兩種非常重要的寬帶隙材料就是氮化鎵和碳化硅。關(guān)于氮化鎵與碳化硅材料，半導(dǎo)體器件是否可能而且這種設(shè)備/材料是否最適合各種開關(guān)和高頻功率的應(yīng)用的問題有大量的正在進(jìn)行的討論和質(zhì)疑。木論文總結(jié)了

2、我們對于目前發(fā)展現(xiàn)狀的理解以及這些技術(shù)的領(lǐng)先之處。材料特性、設(shè)備結(jié)構(gòu)和成本都是重耍的和相互關(guān)聯(lián)的。最終，我們相信碳化硅和氮化鎵兩種材料都將扮演著重要角色而且都將融入各自的商業(yè)市場。材料屬性作為寬帶隙材料的表征是一個電子從價帶頂部跳到半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部所適合的能量。需要能量通常大于一個或兩個電子伏特的材料被稱為寬帶隙材料。碳化硅和氮化鎵半導(dǎo)體通常也被稱為化合物半導(dǎo)體，因為他們是由選白周期表屮的多個元素組成的。下表比較了硅(Si)、碳化硅(SiC-4Hl)和氮化鎵(GaN)材料的性能。這些材料的屬性對電子器件的基木性能特點(diǎn)

3、產(chǎn)生重大影響。對于射頻和開關(guān)電源設(shè)備而言，碳化硅和氮化鎵兩種材料的性能都優(yōu)于單質(zhì)硅的。碳化硅和氮化鎵相比單質(zhì)硅的一個更優(yōu)的屬性是，他們的高臨界場允許這些器件能在更高的電壓和更低的漏電流中操作。高電子遷移率和電子飽和速度允許更高的工作頻率。然而SiC電子遷移率高于Si,GaN的電子遷移率又高于SiC,這意味著氮化鎵應(yīng)該最終成為極高頻率的最佳設(shè)備材料。高導(dǎo)熱系數(shù)意味著材料在更有效地傳導(dǎo)熱量方面占優(yōu)勢。SiC比GaN和Si具冇更高的熱導(dǎo)率，意味著碳化硅器件比氮化鎵或硅從理論上可以在更高的功率密度下操作。當(dāng)高功率是一個關(guān)鍵

4、的理想設(shè)備特點(diǎn)時，高導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)合寬帶隙、高臨界場的碳化硅半導(dǎo)體具有一定優(yōu)勢。氮化鎵和對較差的導(dǎo)熱性，使系統(tǒng)設(shè)計人員處理氮化鎵器件的熱量管理面臨一個挑戰(zhàn)。材料屬性硅(Si)碳化硅(SiC)氮化鎵(GaN)帶隙(eV)1.13.23.4臨界場106V/cm0.333.5電子遷移率(cm2/V-sec)14509002000電子飽和速度(106cni/sec)102225導(dǎo)熱系數(shù)(Watts/cnuK)1.551.3表一：材料屬性材料質(zhì)量碳化硅和氮化鎵的材質(zhì)，在過去幾年己經(jīng)進(jìn)行了實質(zhì)性的改善。我們的經(jīng)驗是，碳化硅比氮化鎵

5、更進(jìn)一步，因為氮化鎵基板只能被制造到直徑2英、j*。無論何種情況下，對于開關(guān)和高頻功率應(yīng)用的設(shè)備研宂興趣點(diǎn)是，需要將碳化硅或氮化鎵的外延層生長或沉積在由相同（均相外延）或不同（異質(zhì)外延）的材料組成的襯底上。同質(zhì)外延的碳化硅器件在制造方面某種程度上類似于單質(zhì)硅，因為在碳化硅襯底上耍形成碳化硅外延層（閣一）。其結(jié)果是在外延層和襯底之間具有良好的晶體匹配，并且有一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱路徑從頂部到晶片的底部。這就具備了在設(shè)備結(jié)構(gòu)以及成本上可以制造的意義。現(xiàn)在冇許多制造碳化硅襯底和外延晶片的公司。Cree公司歷來占據(jù)優(yōu)勢地位，但是其

6、他公司都在材料質(zhì)量以及同樣重要的成本方面非常迅速與之縮小差距。n-driftlegionn+SiCsubstrateDrain圖一：垂直的雙擴(kuò)散碳化硅半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管現(xiàn)今，氮化鎵基板主要用于在2英寸晶圓片上制造藍(lán)色激光二極管，這是氮化鎵材料在當(dāng)下技術(shù)發(fā)展的最新水平。對于以氮化鎵為基礎(chǔ)的器件，同質(zhì)外延氮化鎵晶片比異質(zhì)外延方法更具優(yōu)勢：但是，高品質(zhì)（低缺陷）的準(zhǔn)備外延氮化鎵襯底的生產(chǎn)流程仍處于早期階段，比起碳化硅還有很多不成熟之處。當(dāng)涉及到大量單晶氮化鎵的生長能達(dá)到開盒即用的基板時，正如碳化硅一樣，還存在必須要解決的

7、許多固有挑戰(zhàn)。因此，今天常用的方法是異質(zhì)外延的方法。但對開關(guān)和高頻功率應(yīng)用而言，要實施兒種變化，今天對于異質(zhì)外延氮化鎵晶片的主要選擇為，氮化鎵外延層罝于“非天然”碳化硅襯底上。另一種正在使用的組合是氮化鎵外延層罝于單質(zhì)硅上。在這W種情況下，存在需要被考慮添加額外的材料和加工費(fèi)用的晶格差異。GaNun-dopedBufferLayers/TransitionLayers/Substrate圖二：使用氮化鎵與過渡層材料，硅或碳化硅作為襯底，去匹配晶格的橫向晶體管適應(yīng)晶體差異的常用方法是通過使用一個緩沖層（圖三）。氮化鋁

8、（A1N）是一種被使用的材料，他提供Y良好的材料匹配，但是他的電絕緣影響了可以制造的設(shè)備結(jié)構(gòu)的類型。創(chuàng)建緩沖層也增加了成本和工藝的復(fù)雜性。此外，為了不影響設(shè)備性能、生產(chǎn)量和可靠性，這些緩沖層結(jié)合非原生基質(zhì)的使用導(dǎo)致的缺陷和固有應(yīng)力需要被克服。圖三：氮化鎵和所需的緩沖層的橫截而對于同質(zhì)外延的碳化硅，國家最先進(jìn)的晶圓直徑是3到4英寸，而對于在碳化硅或單質(zhì)硅晶圓上