氮化镓和碳化硅的应用

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1、氮化镓和碳化硅在高频率电源开关中的应用前g对于宽带隙(宽禁带)材料和设备的研究工作己经持续许多年了，这些材料的特性令设计者非常满意，因为宽的带隙设备显著的性能改善超过了以硅为棊础的其他材料。他们在高温度下、高功率密度下、高电压下和高频率下运转的能力，使他们在未来的电子系统中的使用非常令人关注。对未来的开关和高频功率应用方面大有前途的两种非常重要的宽带隙材料就是氮化镓和碳化硅。关于氮化镓与碳化硅材料，半导体器件是否可能而且这种设备/材料是否最适合各种开关和高频功率的应用的问题有大量的正在进行的讨论和质疑。木论文总结了

2、我们对于目前发展现状的理解以及这些技术的领先之处。材料特性、设备结构和成本都是重耍的和相互关联的。最终，我们相信碳化硅和氮化镓两种材料都将扮演着重要角色而且都将融入各自的商业市场。材料属性作为宽带隙材料的表征是一个电子从价带顶部跳到半导体导带底部所适合的能量。需要能量通常大于一个或两个电子伏特的材料被称为宽带隙材料。碳化硅和氮化镓半导体通常也被称为化合物半导体，因为他们是由选白周期表屮的多个元素组成的。下表比较了硅(Si)、碳化硅(SiC-4Hl)和氮化镓(GaN)材料的性能。这些材料的属性对电子器件的基木性能特点

3、产生重大影响。对于射频和开关电源设备而言，碳化硅和氮化镓两种材料的性能都优于单质硅的。碳化硅和氮化镓相比单质硅的一个更优的属性是，他们的高临界场允许这些器件能在更高的电压和更低的漏电流中操作。高电子迁移率和电子饱和速度允许更高的工作频率。然而SiC电子迁移率高于Si,GaN的电子迁移率又高于SiC,这意味着氮化镓应该最终成为极高频率的最佳设备材料。高导热系数意味着材料在更有效地传导热量方面占优势。SiC比GaN和Si具冇更高的热导率，意味着碳化硅器件比氮化镓或硅从理论上可以在更高的功率密度下操作。当高功率是一个关键

4、的理想设备特点时，高导热系数结合宽带隙、高临界场的碳化硅半导体具有一定优势。氮化镓和对较差的导热性，使系统设计人员处理氮化镓器件的热量管理面临一个挑战。材料属性硅(Si)碳化硅(SiC)氮化镓(GaN)带隙(eV)1.13.23.4临界场106V/cm0.333.5电子迁移率(cm2/V-sec)14509002000电子饱和速度(106cni/sec)102225导热系数(Watts/cnuK)1.551.3表一：材料属性材料质量碳化硅和氮化镓的材质，在过去几年己经进行了实质性的改善。我们的经验是，碳化硅比氮化镓

5、更进一步，因为氮化镓基板只能被制造到直径2英、j*。无论何种情况下，对于开关和高频功率应用的设备研宂兴趣点是，需要将碳化硅或氮化镓的外延层生长或沉积在由相同（均相外延）或不同（异质外延）的材料组成的衬底上。同质外延的碳化硅器件在制造方面某种程度上类似于单质硅，因为在碳化硅衬底上耍形成碳化硅外延层（阁一）。其结果是在外延层和衬底之间具有良好的晶体匹配，并且有一个导电和导热路径从顶部到晶片的底部。这就具备了在设备结构以及成本上可以制造的意义。现在冇许多制造碳化硅衬底和外延晶片的公司。Cree公司历来占据优势地位，但是其

6、他公司都在材料质量以及同样重要的成本方面非常迅速与之缩小差距。n-driftlegionn+SiCsubstrateDrain图一：垂直的双扩散碳化硅半导体场效应晶体管现今，氮化镓基板主要用于在2英寸晶圆片上制造蓝色激光二极管，这是氮化镓材料在当下技术发展的最新水平。对于以氮化镓为基础的器件，同质外延氮化镓晶片比异质外延方法更具优势：但是，高品质（低缺陷）的准备外延氮化镓衬底的生产流程仍处于早期阶段，比起碳化硅还有很多不成熟之处。当涉及到大量单晶氮化镓的生长能达到开盒即用的基板时，正如碳化硅一样，还存在必须要解决的

7、许多固有挑战。因此，今天常用的方法是异质外延的方法。但对开关和高频功率应用而言，要实施儿种变化，今天对于异质外延氮化镓晶片的主要选择为，氮化镓外延层罝于“非天然”碳化硅衬底上。另一种正在使用的组合是氮化镓外延层罝于单质硅上。在这W种情况下，存在需要被考虑添加额外的材料和加工费用的晶格差异。GaNun-dopedBufferLayers/TransitionLayers/Substrate图二：使用氮化镓与过渡层材料，硅或碳化硅作为衬底，去匹配晶格的横向晶体管适应晶体差异的常用方法是通过使用一个缓冲层（图三）。氮化铝

8、（A1N）是一种被使用的材料，他提供Y良好的材料匹配，但是他的电绝缘影响了可以制造的设备结构的类型。创建缓冲层也增加了成本和工艺的复杂性。此外，为了不影响设备性能、生产量和可靠性，这些缓冲层结合非原生基质的使用导致的缺陷和固有应力需要被克服。图三：氮化镓和所需的缓冲层的横截而对于同质外延的碳化硅，国家最先进的晶圆直径是3到4英寸，而对于在碳化硅或单质硅晶圆上