宽禁带SiC MESFET发展及增益特性研究
摘要：近些年来，以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体材料成为继
以硅和砷化镓为代表的第一代、第二代半导体材料之后迅速发展起来的第三代新型半导体材料。SiC半导体材料具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点，特别适合制作大功率、高压、高温、抗辐照电子器件。此外，由于SiC功率器件可显著降低电子设备的能耗，因此SiC功率器件也被誉为带动新能源革命的“绿色能源”器件。文章研究了新型宽禁带半导体材料的性能及发展，在此基础之上进行了SiC MESFET功率增益的研究。
关键字：SiC材料，4H-SiC MESFET，功率增益，功率器件
Abstract:
Recent years silicon carbide (Sic) and gallium nitride (GaN)
become the typical material for the 3rd generation semiconductor, following the silicon and gallium arsenide as the representative of the first-generation and the second-generation semiconductor materials. SiC semiconductor materials have broadband gap, high saturation drifting velocity, high heat conductivity, high critical breakdown electric field such prominent advantage, which are suitable for making high power, high pressure and high temperature resistance, irradiation electronic devices. In addition, because of SiC power devices can significantly reduce the energy consumption of the electronic equipment, so SiC power components is known as the “green energy” device. The new wide band gaps of semiconductor materials are introduced in the paper. Also the SiC MESFET power grain has been studied in this paper.
Key words：SiC, 4H-SiC MESFET, power grain, power device
0 引言
随著微电子技术的发展，传统的Si和GaAs半导体材料出于自身结构和特性的原因，在高温、高频、大功率以及抗辐射等方面越来越显出其不足和局限性[2]。硅器件难以在高于250℃的高温环境下工作，特别是当高的工作温度与大功率、
高频及强辐射环境条件并存时，硅器件就无法胜任。在科学技术飞速发展的今天，对能够在高温、高辐射、高功率环境下工作的新型半导体材料有着迫切需求。为此，人们对新型半导体材料的进行了广泛的研究，在众多的新型半导体材料之中，SiC以其优良的物理和电学性能引起了人们的重视，已经成为继第一代半导体材料硅和第二代化合物半导体材料砷化镓、磷化镓、磷化铟之后逐渐兴起的第三代半导体材料。
1 SiC材料的优势
半导体的材料特性在一定程度上决定了器件的功率频率特性，其中击穿电场和饱和电子传输速度是决定器件性能的两个重要的影响因素[2,5]。一方面，静电能量密度可以表示为电场的函数（2εE2），当器件内电场等于临界击穿电场的时候，达到功率极限；另一方面，放电时间不能超过半周期，而放电时间取决于载流子传输到电极的延迟时间，因此载流子饱和速度决定了频率极限。表1-1列出了不同半导体材料性能的比较[7,8]。
表1-1半导体材料性能比较
而从表1-1中可以看到碳化硅的很多电学热学性能远优于硅和砷化镓等材料。SiC的禁带宽度大（是Si的3倍，是GaAs的2倍）；其本征温度高 ，SiC功率半
导体器件的工作温度可高达600摄氏度；SiC的击穿场强高（是Si的10倍，是GaAs的7倍），SiC功率半导体器件的最高工作电压比Si的同类器件高得多，由于功率半导体器件的导通电阻与材料击穿电场的立方成反比，因此SiC功率半导体器件的导通电阻比Si的同类器件的导通电阻低得多，结果其开关损耗便小得多；SiC的热导率高、饱和电子迁移率高，适合于高温高频大功率工作。表1-2列举出了SiC材料的各种应用[3]。
表1-2 SiC材料的应用
2 4H-SiC MESFET的增益特性[1,4]
目前对4H-SiC MESFET的研究已经取得了长足的进展。一般而言微波功率器
件除了考虑尽量获得最大输出功率外，功率增益也是需要必须考虑的问题。一般功率FET的等效电路可如2-2图所示，为此有：
⎛fT⎫ ⎪
⎝f0⎭MAT= (2-1)
4gdsRg+Ri+Rs+πfTLs+4πfTCdg2Rg+Ri+Rs+2πfTLs
对于本征功率FET，其截止频率为：
g m (2-2)
2
fT=
2πCgs
式中：gds=1/Rds为漏电导；Rg为栅串联电阻；Ri为源漏之问的沟道电阻；Rs为源串联电阻；Ls为源电感；Cdg为漏栅电容；Cgs为栅源电容；gm为本征晶体管跨导。
从上式中可以看出，在一定的工作频率下为了提高功率SiC MESFET的功率增益，除了要尽量提高器件的特征频率外，还要尽量减小器件的寄生电阻、寄生电容和寄生电感。在工艺上就是要在源、漏电极实现良好的欧姆接触，并在栅电极形成良好的肖特基势垒，同时还要实现精细光刻和尽量小的键合引线电感。
图2-1 MESFET基本结构
图2-2功率FET的等效电路
要实现高的功率增益，器件必须有比较高的截止频率fT，而截止频率和最高振荡频率fmax是器件的两个重要的参数，其关系式为：
fmax
f∝
（2-3）
r∝Rg+Ri+Rs （2-4） τ=2πRgCdg （2-5）
由以上分析可以得出提高功率增益与提高器件的截止频率和最高振荡频率的技术途径是基本一致的。SiC MESFET的另一个关键工艺就是如何实现高质量肖特基金属细栅
技术，要实现良好的功率性能和高功率增益，必须要有良好的栅控能力即实现良好的肖特基接触。所以采用具有高功函数的金属与SiC接触是实现良好栅控的基础。
3 结束语
碳化硅(SiC)是具有宽禁带、高击穿电场、高载流子饱和漂移速率、高热导率、高功率密度等等许多优点的新型半导体材料，非常适合于制作高频、大功率、抗辐照的电子器件。在微波功率器件中，4H-SiC金属半导体场效应晶体管 (MESFET)更引起了人们的广泛重视。然而碳化硅器件制造工艺难度较大，肖特基接触不稳定性、陷阱效应、自热效应等影响因素限制了器件达到好的特性[2]。需要对上述问题建模分析并从器件结构上进行改进。尽管SiC
材料和器件的研究已取得了引
人注目的进展，但这些器件要成为高温、高频、大功率领域的主流器件还有许多问题要解决。首先是作为衬底材料的SiC在降低缺陷密度、提高均匀性的同时，必须大幅度降低其成本，2006年一片2英寸的SiC单晶片的售价高达500美元，然而相应的4英寸的硅片售价仅为7美元[6]。如此昂贵的SiC单晶片已经严重阻碍了SiC器件进入民用功率半导体市场。另外，制取高纯、高掺杂的大尺寸晶体的关键技术也应尽快突破；其次需要提高离子注入技术，以实现平面工艺，为集成电路的发展奠定基础；再次高温下SiC器件欧姆接触的可靠性问题。可见，要充分发挥SiC的优势和潜力，在理论上和实践上都还有许多工作要做。可以预见，SiC作为21世纪极端电子学半导体首选材料、第三代半导体的主导材料之一，随着材料、器件物理研究的不断深化和制作技术的不断突破、完善和成熟，SiC应用技术必将更加加速发展，成为21世纪半导体技术的一颗十分耀眼、引人注目的明星。
参考文献
[1]柏松,吴鹏,陈刚.等.s波段280 W SiC内匹配脉冲功率晶体管[J],周体电子学研究与进展,2008,28(2)：3.
[2]刘忠立.SiC功率半导体器件的优势及发展前景[J],中国科学院半导体研究所. [3]吕红亮.4H-SiC MESFET理论模型与实验研究,西安电子科技大学.
[4] CAI S J,PAN H S,CHEN H, et al .S-band 1mm SiC MESFET with 2W output on semi-insulated SiC substrate[J].半导体学报,2006,27(2):265-269
[5]吕红亮,张义门等.4H-SiC功率MESFET的击穿特性[J].半导体学报,2004,25(9):1132-1135 [6张波,邓小川,张有润等].宽禁带半导体SiC功率器件发展现况及展望[J].中国电子科学研究所学报,2009,2:111-118
[7]张金平.4H-SiC射频/微波功率MESFETs新结构与模型研究.电子科技大学. [8]邵科.基于陷阱的4H-SiC MESFET频散效应研究.西安电子科技大学.
宽禁带SiC MESFET发展及增益特性研究
——半导体器件论文
姓名：朱文伟
学号：3111032001
班级：硕1028班
宽禁带SiC MESFET发展及增益特性研究
摘要：近些年来，以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体材料成为继
以硅和砷化镓为代表的第一代、第二代半导体材料之后迅速发展起来的第三代新型半导体材料。SiC半导体材料具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点，特别适合制作大功率、高压、高温、抗辐照电子器件。此外，由于SiC功率器件可显著降低电子设备的能耗，因此SiC功率器件也被誉为带动新能源革命的“绿色能源”器件。文章研究了新型宽禁带半导体材料的性能及发展，在此基础之上进行了SiC MESFET功率增益的研究。
关键字：SiC材料，4H-SiC MESFET，功率增益，功率器件
Abstract:
Recent years silicon carbide (Sic) and gallium nitride (GaN)
become the typical material for the 3rd generation semiconductor, following the silicon and gallium arsenide as the representative of the first-generation and the second-generation semiconductor materials. SiC semiconductor materials have broadband gap, high saturation drifting velocity, high heat conductivity, high critical breakdown electric field such prominent advantage, which are suitable for making high power, high pressure and high temperature resistance, irradiation electronic devices. In addition, because of SiC power devices can significantly reduce the energy consumption of the electronic equipment, so SiC power components is known as the “green energy” device. The new wide band gaps of semiconductor materials are introduced in the paper. Also the SiC MESFET power grain has been studied in this paper.
Key words：SiC, 4H-SiC MESFET, power grain, power device
0 引言
随著微电子技术的发展，传统的Si和GaAs半导体材料出于自身结构和特性的原因，在高温、高频、大功率以及抗辐射等方面越来越显出其不足和局限性[2]。硅器件难以在高于250℃的高温环境下工作，特别是当高的工作温度与大功率、
高频及强辐射环境条件并存时，硅器件就无法胜任。在科学技术飞速发展的今天，对能够在高温、高辐射、高功率环境下工作的新型半导体材料有着迫切需求。为此，人们对新型半导体材料的进行了广泛的研究，在众多的新型半导体材料之中，SiC以其优良的物理和电学性能引起了人们的重视，已经成为继第一代半导体材料硅和第二代化合物半导体材料砷化镓、磷化镓、磷化铟之后逐渐兴起的第三代半导体材料。
1 SiC材料的优势
半导体的材料特性在一定程度上决定了器件的功率频率特性，其中击穿电场和饱和电子传输速度是决定器件性能的两个重要的影响因素[2,5]。一方面，静电能量密度可以表示为电场的函数（2εE2），当器件内电场等于临界击穿电场的时候，达到功率极限；另一方面，放电时间不能超过半周期，而放电时间取决于载流子传输到电极的延迟时间，因此载流子饱和速度决定了频率极限。表1-1列出了不同半导体材料性能的比较[7,8]。
表1-1半导体材料性能比较
而从表1-1中可以看到碳化硅的很多电学热学性能远优于硅和砷化镓等材料。SiC的禁带宽度大（是Si的3倍，是GaAs的2倍）；其本征温度高 ，SiC功率半
导体器件的工作温度可高达600摄氏度；SiC的击穿场强高（是Si的10倍，是GaAs的7倍），SiC功率半导体器件的最高工作电压比Si的同类器件高得多，由于功率半导体器件的导通电阻与材料击穿电场的立方成反比，因此SiC功率半导体器件的导通电阻比Si的同类器件的导通电阻低得多，结果其开关损耗便小得多；SiC的热导率高、饱和电子迁移率高，适合于高温高频大功率工作。表1-2列举出了SiC材料的各种应用[3]。
表1-2 SiC材料的应用
2 4H-SiC MESFET的增益特性[1,4]
目前对4H-SiC MESFET的研究已经取得了长足的进展。一般而言微波功率器
件除了考虑尽量获得最大输出功率外，功率增益也是需要必须考虑的问题。一般功率FET的等效电路可如2-2图所示，为此有：
⎛fT⎫ ⎪
⎝f0⎭MAT= (2-1)
4gdsRg+Ri+Rs+πfTLs+4πfTCdg2Rg+Ri+Rs+2πfTLs
对于本征功率FET，其截止频率为：
g m (2-2)
2
fT=
2πCgs
式中：gds=1/Rds为漏电导；Rg为栅串联电阻；Ri为源漏之问的沟道电阻；Rs为源串联电阻；Ls为源电感；Cdg为漏栅电容；Cgs为栅源电容；gm为本征晶体管跨导。
从上式中可以看出，在一定的工作频率下为了提高功率SiC MESFET的功率增益，除了要尽量提高器件的特征频率外，还要尽量减小器件的寄生电阻、寄生电容和寄生电感。在工艺上就是要在源、漏电极实现良好的欧姆接触，并在栅电极形成良好的肖特基势垒，同时还要实现精细光刻和尽量小的键合引线电感。
图2-1 MESFET基本结构
图2-2功率FET的等效电路
要实现高的功率增益，器件必须有比较高的截止频率fT，而截止频率和最高振荡频率fmax是器件的两个重要的参数，其关系式为：
fmax
f∝
（2-3）
r∝Rg+Ri+Rs （2-4） τ=2πRgCdg （2-5）
由以上分析可以得出提高功率增益与提高器件的截止频率和最高振荡频率的技术途径是基本一致的。SiC MESFET的另一个关键工艺就是如何实现高质量肖特基金属细栅
技术，要实现良好的功率性能和高功率增益，必须要有良好的栅控能力即实现良好的肖特基接触。所以采用具有高功函数的金属与SiC接触是实现良好栅控的基础。
3 结束语
碳化硅(SiC)是具有宽禁带、高击穿电场、高载流子饱和漂移速率、高热导率、高功率密度等等许多优点的新型半导体材料，非常适合于制作高频、大功率、抗辐照的电子器件。在微波功率器件中，4H-SiC金属半导体场效应晶体管 (MESFET)更引起了人们的广泛重视。然而碳化硅器件制造工艺难度较大，肖特基接触不稳定性、陷阱效应、自热效应等影响因素限制了器件达到好的特性[2]。需要对上述问题建模分析并从器件结构上进行改进。尽管SiC
材料和器件的研究已取得了引
人注目的进展，但这些器件要成为高温、高频、大功率领域的主流器件还有许多问题要解决。首先是作为衬底材料的SiC在降低缺陷密度、提高均匀性的同时，必须大幅度降低其成本，2006年一片2英寸的SiC单晶片的售价高达500美元，然而相应的4英寸的硅片售价仅为7美元[6]。如此昂贵的SiC单晶片已经严重阻碍了SiC器件进入民用功率半导体市场。另外，制取高纯、高掺杂的大尺寸晶体的关键技术也应尽快突破；其次需要提高离子注入技术，以实现平面工艺，为集成电路的发展奠定基础；再次高温下SiC器件欧姆接触的可靠性问题。可见，要充分发挥SiC的优势和潜力，在理论上和实践上都还有许多工作要做。可以预见，SiC作为21世纪极端电子学半导体首选材料、第三代半导体的主导材料之一，随着材料、器件物理研究的不断深化和制作技术的不断突破、完善和成熟，SiC应用技术必将更加加速发展，成为21世纪半导体技术的一颗十分耀眼、引人注目的明星。
参考文献
[1]柏松,吴鹏,陈刚.等.s波段280 W SiC内匹配脉冲功率晶体管[J],周体电子学研究与进展,2008,28(2)：3.
[2]刘忠立.SiC功率半导体器件的优势及发展前景[J],中国科学院半导体研究所. [3]吕红亮.4H-SiC MESFET理论模型与实验研究,西安电子科技大学.
[4] CAI S J,PAN H S,CHEN H, et al .S-band 1mm SiC MESFET with 2W output on semi-insulated SiC substrate[J].半导体学报,2006,27(2):265-269
[5]吕红亮,张义门等.4H-SiC功率MESFET的击穿特性[J].半导体学报,2004,25(9):1132-1135 [6张波,邓小川,张有润等].宽禁带半导体SiC功率器件发展现况及展望[J].中国电子科学研究所学报,2009,2:111-118
[7]张金平.4H-SiC射频/微波功率MESFETs新结构与模型研究.电子科技大学. [8]邵科.基于陷阱的4H-SiC MESFET频散效应研究.西安电子科技大学.
宽禁带SiC MESFET发展及增益特性研究
——半导体器件论文
姓名：朱文伟
学号：3111032001
班级：硕1028班