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GaN基SBD的研究现状及面临的问题

  1999年,Bandic等人发表了关于GaN基SBD的研究论文,论文中研究了器件的基本结构,以及SiO2场板结构对器件性能的影响,并报到了-250~-450V的反向击穿电压,和-100V时10-5A/cm2的反向漏电流,由此拉开了国内外的研究机构和半导体公司大规模研究GaN基SBD的序幕。2005年,Lee等人在基本的AlGaN/GaN异质结结构上生长了一层5nm的GaN帽层,并在其上沉积一个环绕肖特基电极的浮电位金属环,使器件的反向击穿电压由-530V增至-930V。Cao等人报道,使用Cl2/BCl3和Ar感应耦合等离子体对AlGaN表面上的Ti/Al/Ti/Au欧姆接触做表面处理,可以提高表面的导电率,使其整流接触变为欧姆接触,获得(3~5)×10-5·cm2的比接触电阻率。2007年,意法半导体与Velox半导体公司联合推出耐压600V的GaN SBD,成为第一种进入市场产品化的GaN电力电子器件。GaN基材料大都采用蓝宝石或SiC作衬底进行异质外延,因此GaN基器件一般采用横向导电结构,但要实现大电流器件结构还是以纵向导电结构更佳。2010年,日本的Powdec KK半导体公司推出纵向结构GaN SBD,它采用特殊的蓝宝石衬底剥离技术,获得了高于600V的反向击穿电压、低于现有硅基电力电子器件100倍的通态电阻以及50%的功率损耗,器件实物图见图1。
剥离衬底后的纵向GaN SBD 
图1 剥离衬底后的纵向GaN SBD
 
  虽然GaN基SBD的研究已有了很大的进展,但实际的指标与其极限值还相距甚远,如图2所示。GaN基SBD必须解决以下几个重要问题,才能充分发挥其优势。
各种材料的理论极限 
图2 各种材料的理论极限
 
  ·大失配衬底。因为没有合适的GaN单晶作为衬底,GaN基材料必须采用异质外延技术。目前常用的两种衬底中,SiC虽然外延质量较好,但价格昂贵,而蓝宝石衬底虽然价格低廉,但因其导热性差,外延质量难以保证。因此,开发价格低、晶格匹配、导热性好的衬底是提高GaN基器件性能的根本。
  ·欧姆接触。GaN基材料由于禁带宽度大,难于与金属形成低电阻的欧姆接触,这样会造成能量的损耗,使器件产生过多的热量而降低其可靠性。同时,GaN材料表面性质活跃,容易生成氧化膜,使金属与半导体之间的势垒增大。这都严重制约了器件的性能。如何选择合适的金属或多层金属、退火工艺的改进及表面处理工艺是欧姆接触目前的研究重点。
  ·肖特基接触。肖特基接触质量的好坏直接影响到SBD的反向击穿电压、反向漏电流的大小,这些参数都是衡量SBD性能的重要依据。同时,高密度表面态的存在,使半导体表面费米能级产生钉扎,严重影响肖特基势垒质量。因此肖特基金属材料、制作工艺以及表面态是这一部分的主要研究内容。
  ·散热问题。大功率器件的散热问题制约了器件可靠性(寿命),器件的可靠性是其能否实用化的关键。
  ·器件集成化。

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