超宽禁带半导体的挑战与机遇

来源：芯TIP

报告主题：超宽禁带半导体的挑战与机遇

报告作者：Sandia NL、UWBG Working Group、Ultra EFRC

NY CREATES Emerging Technologies Seminar Bob Kaplar, Sandia National Labs

报告内容包含：（具体内容详见下方全部报告内容）

• 超宽禁带半导体的应用

• 超宽禁带半导体属性

• Sandia AlGaN 器件：

  • 电力电子

  • 射频

  • 高阈逻辑

  • 光电

报告详细内容

➢ 第 1 代：Ge 和 Si

➢ 第 2 代：常规 III-Vs – 砷化物、磷化物、锑化物

➢ 第 3 代：宽禁带——SiC、GaN、InGaN

➢ 第 4 代：超宽禁带 –AlxGa1-xN、(AlxGa1-x)2O3、金刚石、c-BN 等

01

超宽禁带半导体的应用

# 军事应用

在 SWaP 受限的环境中需要更高程度的电气化和功率

# 超高电压应用

脉冲功率、长距离传输

使用UWBG半导体可能实现100kV的开关!

# 极端环境下的电力电子

电力电子器件的相关极端环境：

- 极端温度

- 辐射

- 振动、腐蚀

UWBG 有望在较宽的温度范围和辐射下保持稳定性

# 能效应用

# 射频应用

# 紫外光电

• 水净化

• 生物制剂检测

• 日盲探测器

# UWBG 材料的量子、传感、导航和其他应用

02 超宽禁带半导体属性

# 临界电场和单极品质因数的定义

# 临界电场不是恒定的

临界电场取决于：

• 电场分布（EC 正式定义为非穿透漂移区的三角场分布）

• 掺杂（影响场分布和电离积分）

• 温度（声子散射与碰撞电离竞争）

# 临界电场随带隙变化并决定了品质因数大小

# UWBG可能会有非常高的击穿电压

增加EC可能会大大增加VB

- 使用AlN等材料可以实现100kV的器件

- 但也需要低掺杂和厚的漂移层

# UWBG中的传输

• 合金散射在 AlGaN 的低场传输中占主导地位

• 导致较弱的温度依赖性

03 Sandia AlGaN 器件

# AlGaN的材料特性

# 功率密度随半导体材料特性的变化而变化

# WBG/UWBG功率开关应用范围分析

➢ GaN 和 AlN 在中频范围内的高电压下是首选

• 更高EC的好处

• 在低频和高频下效果不佳（低电导率调制和增加反向恢复）

➢ 检查 PiN 二极管，因为峰值场被埋在表面之下

• 更先进设备的一部分

• 还必须考虑肖特基

# 为什么将AlGaN合金用于电力电子？

使用 UWBG 功率器件将系统性能提高一个数量级

AlGaN 是下一代功率器件的强大候选的UWBG 半导体

AlGaN 合金

# III-氮化物 PN 二极管的击穿电压

# 横向功率器件品质因数

• 不像单极 FOM 那样广为人知

• 单极（垂直）FOM 经常被错误地用于横向设备

# 该种材料的UWBG HEMT 结构

• 蓝宝石衬底上的 MOCVD 生长

• 平面源极和漏极触点

# 富铝 AlGaN HEMT 的电气特性

源极和漏极接触中的准整流行为是一个挑战

最近对触点的改进提高了电流密度并改善了低压下的线性度

# 可在较大的温度范围内运行

• 性能对温度的依赖性相对较弱

• 可能是由于沟道迁移率对温度不敏感

• 欧姆接触在高温下得到改善

# 击穿电压

# 富铝 AlGaN HEMT 的欧姆接触开发

# 增强型 AlGaN 功率晶体管

03 Sandia AlGaN 器件-射频

# AlGaN 用于射频器件的优势

# 与 GaN 沟道 HEMT 相比，预计富铝 HEMT 的功率密度增加 8 倍

# 具有 80nm 栅极的 HEMT

# 射频特性

03 Sandia AlGaN 器件-高阈逻辑

# 用于数字逻辑的增强型和耗尽型 HEMT

03 Sandia AlGaN 器件-光电

# AlGaN光电HEMT填补了UV-C探测器的技术空白

# 可见盲和日盲

参考来源：Sandia NL、UWBG Working Group、Ultra EFRC

NY CREATES Emerging Technologies Seminar Bob Kaplar, Sandia National Labs

部分编译：芯TIP@吴晰（编译仅供辅助阅读）