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第三代半导体材料盛行，GaN与SiC如何撬动新型功率器件
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2017-11-09
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1.GaN
功率管的发展微波功率器件近年来已经从硅双极型晶体管、场效应管以及在移动通信领域被广泛应用的LDMOS 管向以碳化硅（SiC）、氮镓（GaN） 为代表的宽禁带功率管过渡。SiC、GaN材料，由于具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点，与刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。
在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。SiC功率器件在C波段以上受频率的限制，也使其使用受到一定的限制;GaN 功率管因其大功率容量等特点，成为发较快的宽禁带器件。GaN功率管因其高击穿电压、高线性性能、高效率等优势，已经在无线通信基站、广播电视、电台、干扰机、大功率雷达、电子对抗、卫星通信等领域有着广泛的应用和良好的使用前景。
GaN大功率的输出都是采用增加管芯总栅宽的方法来提高器件的功率输出，这样使得管芯输入、输出阻抗变得很低，引入线及管壳寄生参数对性能的影响很大，一致直接采用管壳外的匹配方法无法得到大的功率输出甚至无法工作。解决方法就是在管壳内引入内匹配电路，因此内匹配对发挥 GaN 功率管性能上的优势，有非常重要的现实意义。
2.SIC
碳化硅（SiC）以其优良的物理化学特性和电特性成为制造高温、大功率电子器件的一种最具有优势的半导体材料。并且具有远大于Si材料的功率器件品质因子。SiC功率器件的研发始于20世纪90年代。目前已成为新型功率半导体器件研究开发的主流。2004年SiC功率MOSFET不仅在高耐压指标上达到了硅MOSFET无法达到的10 kV.而且其开态比电阻向理论极限靠近了一大步。可达123 mQ·cm2。SiC隐埋沟道MOSFET（BCMOS）是MOS工艺最有潜力的新秀。它不仅解决了沟道迁移率低的问题，且能很好地与MOS器件工艺兼容。研究出的SiC BCMOS器件迁移率达到约720 cm2/（V·s）;SiC双极晶体管（BJT）在大功率应用时优势明显;经研究得到了击穿电压为1.677 kV。开态比电阻为5.7 mQ·cm2的4H—SiC BJT
3.SiC MOSFET的研究
MOSFET在目前的超大规模集成电路中占有极其重要的地位，而SiC作为唯一一种本征的氧化物是SiO，的化合物半导体。这就使得MOSFET在SiC功率电子器件中具有重要的意义。2000年研制了国内第一个SiC MOSFETt31。器件最大跨导为0.36mS/mm，沟道电子迁移率仅为14 cm2/（V·s）。反型层迁移率低已成为限制SiC MOSFET发展的主要因素。理论和实验均表明。高密度的界面态电荷和非理想平面造成的表面粗糙是导致SiC MOS器件表面
迁移率低的主要因素。用单电子Monte Carlo方法对6H—SiC反型层的电子迁移率进行模拟，模拟中考虑了界面电荷的库仑散射和界面粗糙散射，提出了新的综合型库仑散射模型和界面粗糙散射指数模型141。模拟结果表明。当表面有效横向电场高于1.5x105V/cm时。表面粗糙散射在SiC反型层中起主要作用;反之，沟道散射以库仑散射为主，此时高密度的界面态电荷将成为降低沟道迁移率的主要因素。
4.总结
通过学习这两款新型的功率器件，不仅在设计上，更取得了实质性的效果。
功率管的发展微波功率器件近年来已经从硅双极型晶体管、场效应管以及在移动通信领域被广泛应用的LDMOS 管向以碳化硅（SiC）、氮镓（GaN） 为代表的宽禁带功率管过渡。SiC、GaN材料，由于具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点，与刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。
在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。SiC功率器件在C波段以上受频率的限制，也使其使用受到一定的限制;GaN 功率管因其大功率容量等特点，成为发较快的宽禁带器件。GaN功率管因其高击穿电压、高线性性能、高效率等优势，已经在无线通信基站、广播电视、电台、干扰机、大功率雷达、电子对抗、卫星通信等领域有着广泛的应用和良好的使用前景。
GaN大功率的输出都是采用增加管芯总栅宽的方法来提高器件的功率输出，这样使得管芯输入、输出阻抗变得很低，引入线及管壳寄生参数对性能的影响很大，一致直接采用管壳外的匹配方法无法得到大的功率输出甚至无法工作。解决方法就是在管壳内引入内匹配电路，因此内匹配对发挥 GaN 功率管性能上的优势，有非常重要的现实意义。
2.SIC
碳化硅（SiC）以其优良的物理化学特性和电特性成为制造高温、大功率电子器件的一种最具有优势的半导体材料。并且具有远大于Si材料的功率器件品质因子。SiC功率器件的研发始于20世纪90年代。目前已成为新型功率半导体器件研究开发的主流。2004年SiC功率MOSFET不仅在高耐压指标上达到了硅MOSFET无法达到的10 kV.而且其开态比电阻向理论极限靠近了一大步。可达123 mQ·cm2。SiC隐埋沟道MOSFET（BCMOS）是MOS工艺最有潜力的新秀。它不仅解决了沟道迁移率低的问题，且能很好地与MOS器件工艺兼容。研究出的SiC BCMOS器件迁移率达到约720 cm2/（V·s）;SiC双极晶体管（BJT）在大功率应用时优势明显;经研究得到了击穿电压为1.677 kV。开态比电阻为5.7 mQ·cm2的4H—SiC BJT
3.SiC MOSFET的研究
MOSFET在目前的超大规模集成电路中占有极其重要的地位，而SiC作为唯一一种本征的氧化物是SiO，的化合物半导体。这就使得MOSFET在SiC功率电子器件中具有重要的意义。2000年研制了国内第一个SiC MOSFETt31。器件最大跨导为0.36mS/mm，沟道电子迁移率仅为14 cm2/（V·s）。反型层迁移率低已成为限制SiC MOSFET发展的主要因素。理论和实验均表明。高密度的界面态电荷和非理想平面造成的表面粗糙是导致SiC MOS器件表面
迁移率低的主要因素。用单电子Monte Carlo方法对6H—SiC反型层的电子迁移率进行模拟，模拟中考虑了界面电荷的库仑散射和界面粗糙散射，提出了新的综合型库仑散射模型和界面粗糙散射指数模型141。模拟结果表明。当表面有效横向电场高于1.5x105V/cm时。表面粗糙散射在SiC反型层中起主要作用;反之，沟道散射以库仑散射为主，此时高密度的界面态电荷将成为降低沟道迁移率的主要因素。
4.总结
通过学习这两款新型的功率器件，不仅在设计上，更取得了实质性的效果。
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