宽禁带半导体功率器件——材料、物理、设计及应用 [美]贾扬·巴利加

本书系统地讨论了第三代半导体材料SiC和GaN的物理特性，以及功率应用中不同类型的器件结构，同时详细地讨论了SiC和GaN功率器件的设计、制造，以及智能功率集成中的技术细节。也讨论了宽禁带半导体功率器件的栅极驱动设计，以及SiC和GaN功率器件的应用。最后对宽禁带半导体功率器件的未来发展进行了展望。
本书适合从事第三代半导体SiC和GaN方面相关工作的工程师、科研人员和技术管理人员阅读，也可以作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的教材和参考书。

1979年，我在通用电气公司工作时推导出了单极型半导体功率器件的比导通电阻与半导体材料基本特性之间的理论关系。我的理论为功率器件提供了Baliga性能指数(BFOM)，可以用来预测用宽禁带半导体取代硅所带来的性能提升。当时，在硅之后最成熟的半导体技术是砷化镓(GaAs)，因为它应用于红外激光器和发光二极管。根据BFOM预测，用GaAs取代硅，单极型功率器件的比导通电阻会变为原来的1/13.6，而其应用会扩展到更高的电压和功率水平。通用电气现有的GaAs器件制造基础部门促使其管理层在20世纪80年代初指派了一个由10名科学家和技术人员组成的团队，在我的指导下工作，奠定了基于GaAs的功率器件技术。我负责组织的一项重点工作是开发采用较低掺杂水平的GaAs外延层来制造高压器件，创建一个工艺平台来制造高性能欧姆和肖特基接触，并针对该材料设计新颖的器件结构。这一努力最终在20世纪80年代的第一个宽禁带半导体功率器件——肖特基整流器和垂直金属-半导体场效应晶体管上证实了我的理论预测。

根据我的公式预测，在20世纪80年代，利用已知的特性，用碳化硅(SiC)取代硅，电阻降低了200倍。到20世纪90年代初，SiC晶圆开始商业化，我领导的功率半导体研究中心在1992年首次演示了开发的高电压肖特基二极管。1997年，我们使用现有的6H-SiC材料演示了开发的高性能SiC功率金属－氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在我的指导下对SiC的碰撞电离系数进行了测量，测量给出的SiC的BFOM数据增加到1000。这些突破带动了美国、欧洲和日本在开发更好的材料和设备方面的重大投资。第一个商用SiC产品是21世纪初上市的高压结势垒肖特基(JBS)二极管。由于在众多应用中作为硅绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的反向并联二极管，这些器件现在的市场规模已增长到超过2亿美元。

经过多年对4H-SiC和热生长氧化层界面之间性能的改善，2011年向市场推出第一款SiC功率MOSFET是可行的。通过业界严格的测试，解决了应用工程师最初对这些器件可靠性的担忧。现在，这些器件在光伏逆变器和电源等应用中得到了认可。这种器件必须与成熟的硅功率器件IGBT和超结FET竞争。市场增长的主要障碍是SiC功率器件过高的成本。世界各地的研究人员都在努力降低SiC功率器件的成本，这预示着未来市场是有希望的。

通过使用过渡层来解决晶格的失配，在硅衬底上生长GaN层，GaN功率器件的发展走上了一条不同寻常的道路。这一突破使得GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)结构与高导电性的二维电子气层成为可能。这些横向器件提供了非常优越的漂移区电阻。然而，制造常关器件一直是一个挑战，即便是常开结构仍然存在动态导通电阻问题。一些公司已经采取了使用Baliga对或级联结构实现常开的GaN HEMT产品的方法。其他研究人员则采用结构改造来获得正的阈值电压。这些器件已被证明能够使功率电路在几MHz的开关频率下工作，从而使非常紧凑的电子产品成为可能。在单个芯片上集成多个器件的能力也为制造功率芯片产品创造了机会。

出版这本关于宽禁带半导体功率器件书籍的动机源自我在2015年在爱思唯尔出版的《IGBT器件——物理、设计与应用》一书的成功，该书获得了著名的PROSE奖，被评为当年工程和技术领域的最佳书籍。这本IGBT书籍对IGBT在过去25年中在社会各方面的应用及其社会影响进行了广泛论述。

对于这本关于宽禁带半导体功率器件的书，我想涵盖从材料特性到器件结构以及应用的整个领域。很高兴联系的所有撰写本书的专家都热情地接受了我的提议。不幸的是，由于涉及技术秘密的原因，一些作者未能兑现他们的承诺。尽管如此，本书的内容对宽禁带半导体功率器件的最先进研究水平进行了全面讨论，这对电力电子领域是非常有益的。

本书从引言第1章开始，提供了关于宽禁带半导体材料的功率器件优点的概述。在本章中描述了各种类型的功率器件结构，以便读者知晓在本书的其余部分会更深入讨论的技术。

第2章，关于SiC材料的性质，由京都大学的Kimoto教授撰写，提供了SiC材料的基本特性的信息，这与功率器件的设计和分析有关。重点是4H-SiC多型，因为它在制造SiC功率器件方面占主导地位。讨论包括影响少数载流子寿命的缺陷，因为它与双极型SiC功率器件(如非常高电压的IGBT)有关。

第3章，关于氮化镓和相关Ⅲ-Ⅴ氮化物的物理特性，由伦斯勒理工学院的Bhat教授撰写，提供了氮化镓(GaN)材料的基本特性的信息。包括二维电子气在AlGaN/GaN异质结结构中的电学特性，因为它对已经商业化的横向GaN HEMT器件非常重要。讨论在硅衬底上的GaN层生长过程中产生的缺陷，因为它与这些器件的可靠性相关。

第4章，关于SiC功率器件的设计和制造，由筑波大学的Iwamuro教授撰写，提供了SiC功率二极管和晶体管的全面讨论。描述了SiC P-i-N二极管和JBS整流器的物理机制，并对它们在各种阻断电压下的性能进行了量化。鲁棒性边缘终端的设计是最大化其性能的关键。对采用平面或沟槽栅极方法的SiC功率MOSFET结构进行了广泛的讨论。这些器件良好的短路能力对于它们在应用中的接受程度是至关重要的。本章还分析了开发超高电压SiC IGBT的潜力。

第5章，关于GaN智能功率器件和集成电路，

译者序
原书前言
第1章引言1
1.1硅功率器件1
1.2硅功率器件的应用1
1.3碳化硅理想的比导通电阻3
1.4碳化硅功率整流器4
1.5硅功率MOSFET5
1.6碳化硅功率MOSFET7
1.7碳化硅功率结势垒肖特基场效应晶体管（JBSFET）8
1.8碳化硅功率MOSFET高频性能的改进9
1.9碳化硅双向场效应晶体管10
1.10碳化硅功率器件的应用12
1.11氮化镓功率器件13
1.12氮化镓功率器件的应用15
1.13小结15
参考文献16
第2章碳化硅材料的特性18
2.1晶体和能带结构18
2.2电学特性21
2.2.1杂质掺杂和载流子
密度21
2.2.2迁移率23
2.2.3漂移速度24
2.2.4碰撞电离系数和临界
电场强度25
2.3其他物理特性27
2.4缺陷和载流子寿命28
2.4.1扩展缺陷28
2.4.2点缺陷31
2.4.3载流子寿命32
参考文献34
第3章氮化镓及相关Ⅲ-Ⅴ型
氮化物的物理特性37
3.1晶体结构和相关特性37
3.2极化电荷41
3.3用于氮化镓外延生长的
衬底44
3.3.1蓝宝石衬底44
3.3.2碳化硅衬底45
3.3.3硅衬底46
3.4禁带结构和相关特性48
3.4.1载流子的有效质量50
3.4.2有效态密度50
3.5传输特性51
3.5.1GaN/AlGaN结构中的2D迁移率54
3.6碰撞电离系数55
3.7氮化镓中的缺陷57
3.7.1本征点缺陷57
3.7.2其他缺陷58
3.7.3氮化镓中的杂质59
3.7.4Ⅱ族杂质59
3.7.5Ⅳ族杂质59
3.7.6Ⅵ族杂质60
3.7.7深能级60
3.8小结61
参考文献61
第4章碳化硅功率器件设计与制造67
4.1引言67
4.2碳化硅二极管69
4.2.1导言69
4.2.2低导通态损耗的SiC JBS器件设计71
4.2.3SiC JBS器件的边缘终端74
4.2.4更高耐用性的SiC JBS器件设计76
4.2.5SiC JBS和Si IGBT混合型模块77
4.2.6pin二极管78
4.2.7双极退化82
4.2.8小结84
4.3SiC MOSFET85
4.3.1引言85
4.3.2器件结构及其制造工艺87
4.3.3未来的SiC MOSFET结构106
4.3.4小结112
4.4SiC IGBT113
4.4.1引言113
4.4.2器件结构及其制造工艺114
4.4.3小结117
参考文献117
第5章氮化镓智能功率器件和集成电路127
5.1引言127
5.1.1材料特性127
5.1.2外延和掺杂128
5.1.3极化和2DEG130
5.1.4MOS131
5.1.5功率器件应用133
5.2器件结构和设计134
5.2.1横向结构134
5.2.2垂直结构138
5.3器件的集成工艺139
5.3.1横向集成工艺139
5.3.2垂直集成工艺140
5.4器件性能143
5.4.1静态特性143
5.4.2动态开关153
5.4.3鲁棒性159
5.4.4应用中的器件选择161
5.5商用器件示例162
5.5.1分立晶体管163
5.5.2混合晶体管163
5.5.3集成晶体管165
5.6单片集成165
5.6.1功率IC165
5.6.2光电IC167
5.7未来趋势、可能性和挑战169
致谢169
参考文献169
第6章氮化镓基氮化镓功率器件设计和制造178
6.1引言178
6.2功率开关的要求179
6.2.1常关工作179
6.2.2高击穿电压180
6.2.3低导通电阻和高电流密度181
6.2.4高温工作181
6.3衬底和外延层181
6.4氮化镓衬底的可用性182
6.5垂直器件：电流孔径垂直电子晶体管183
6.6氮化镓垂直器件简史184
6.7电流孔径垂直电子晶体管及其关键组成部分的设计186
6.8孔径中的掺杂(Nap)和孔径长度(Lap)188
6.9漂移区厚度（tn-）189
6.10沟道厚度(tUID)和有效栅极长度（Lgo）192
6.10.1通过CBL193
6.10.2未调制的电子193
6.10.3通过栅极193
6.11电流阻断层193
6.11.1关于掺杂与注入电流阻断层的讨论193
6.12沟槽电流孔径垂直电子晶体管195
6.13金属-氧化物半导体场效应晶体管198
6.13.1基于非再生长金属-氧化物半导体场效应晶体管198
6.13.2基于再生长的金属－氧化物半导体场效应晶体管（OGFET）199
6.13.3OGFET开关性能203
6.14氮化镓高压二极管205
6.15器件的边缘终端、泄漏和有源区面积207
6.16小结208
致谢209
参考文献209
拓展阅读211
第7章宽禁带半导体功率器件的栅极驱动器212
7.1引言212
7.2低压（LV）碳化硅器件的栅极驱动器（1200V和1700V SiC MOSFET和JFET）212
7.2.1引言212
7.2.2栅极驱动器的基本结构213
7.2.3LV SiC MOSFET的设计考虑213
7.2.4有源栅极驱动221
7.2.51200V/1700V器件的栅极驱动器评估225
7.2.61200V、100A SiC MOSFET的特性225
7.2.71700V SiC MOSFET的表征以及与1700V Si IGBT和1700V Si BIMOSFET的比较226
7.2.81200V、45A SiC JFET模块的表征228
7.2.9商用栅极驱动器回顾229
7.3氮化镓器件的栅极驱动器（最高650V）230
7.3.1GD规范和设计考虑、挑战和实现230
7.3.2布局建议232
7.3.3氮化镓四象限开关（FQS）的栅极驱动设计233
7.3.4商用栅极驱动器IC和趋势234
7.4栅极驱动器的认证235
7.4.1控制MOSFET开启/关断的栅极驱动器操作236
7.4.2栅极驱动器认定的步骤237
7.4.3高压开关的栅极驱动器短路测试239
7.4.4电流开关工作的GD表征和测试电路239
7.5HV SiC器件的栅极驱动器241
7.5.1GD规范和设计考虑241
7.5.2GD电源243
7.5.3智能栅极驱动器245
参考文献255
第8章氮化镓功率器件的应用257
8.1硬开关与软开关258
8.2双向降压/升压变换器262
8.2.1CRM的耦合电感263
8.2.2双向降压/升压变换器265
8.3采用PCB绕组耦合电感的高频PFC266
8.3.1氮化镓基MHz图腾柱