电力和射频电子器件在节能和协作的未来中发挥着越来越重要的作用,因为人们始终需要更快、更小、高压和导电性更强的晶体管。传统上,硅因其广泛的研究和制造历史以及天然储量而成为首选半导体。

虽然硅功率器件继续最大限度地提高性能,但许多应用现在正在集成更宽带隙半导体。这些材料提供了显着更高的电压传导能力,超越了硅在导通电阻、电容和击穿电压方面的权衡限制。

选择基于互补金属氧化物半导体的设计源于其在逻辑系列应用中的众多优势。CMOS 通过栅极氧化物、强大的扇出能力和高输入阻抗提供简单的驱动。由于互补对结构和低静态功耗,其优势延伸至接近轨到轨摆幅。

CMOS 设计提供与存储设备的兼容性和高设备密度。除了数字设计之外,互补器件还可以增强各种电路,例如采用有源负载架构或利用灵活性来切换低侧或高侧的电路。

当面临限制时,电路设计人员会进行调整,如在 pMOS 不可用但集成了耗尽型和增强型 nMOS 器件的情况下采用直接耦合 FET 逻辑(如在各种氮化镓工艺中观察到的那样)。

根据设备的配置和放置方式了解设备的范围也很重要。传统上,垂直器件已经抑制了高密度和功率硅市场,因为它们可以与外延层的底层和上层接触。

另一方面,当实现功率器件和控制的紧密集成时,最重要的是最大限度地减少高工作频率的连接寄生,因此横向器件成为首选,特别是在控制电路中。这种偏好的产生是由于它们与标准集成电路布局的无缝兼容性。事实证明,与涉及凸块、迹线、焊线、熔断材料和其他元件的配置相比,片上互连在性能和可靠性方面具有优越性,否则这些元件将由独立部件组成完整的系统。这种片上集成不仅增强了可靠性,还提高了性能,从而能够在更高的频率下运行。因此,它有利于减小大型电抗元件的尺寸。

 

探索用于 CMOS 器件的新型和改进的宽带隙和超宽带隙材料

 

CMOS 器件制造过程中材料的选择会极大地影响其性能和功能。长期以来,硅一直是 CMOS 器件的基础,提供可扩展性和可靠性,但碳化硅和氮化镓等宽带隙材料的集成促进了击穿电压和开关速度的提高。横向器件,特别是在功率和控制集成方面,在兼容性和减少高频寄生方面具有优势。

 

对创新和发现新材料和改进材料的追求延伸到了金刚石等超宽带隙材料,这为具有卓越导热性的先进 CMOS 器件带来了希望。了解不同材料的影响对于开发 CMOS 制造的动态格局至关重要,为更高效、高性能的电子设备铺平道路。最适合且最受关注的 CMOS 器件材料是碳化硅,因为它已经拥有一个可进行极端条件研究和复杂数字电路设计的成熟平台。

 

碳化硅最显着的特点之一是其广泛的温度工作范围,对于用于 NASA JFET 电路的高温绝缘体上硅,其工作温度范围在 200° C至 300 ° C 之间,并且能够处理极其恶劣的空间条件。另一方面,SiC MOS 器件面临着更严峻的障碍,例如高界面陷阱密度和低反型沟道迁移率。为了解决这个问题,雷神公司设计的最先进的 1.2μm HiTSiC 工艺(如图 1 所示)是工业标准,采用两个独立的掺杂 p 和 n 阱,以便在 15 V 下无缝工作。

最先进的 1.2-μm HiTSiC 工艺,涉及掺杂 P 和 N 阱的集成

图 1:最先进的 1.2-μm HiTSiC 工艺,涉及掺杂 P 和 N 阱的集成

 

另一方面,目前GaN CMOS还没有生产,因为在制造和分析方面需要大量研究,因此了解GaN HEMTS的障碍至关重要。这些结构面临的障碍之一与欧姆接触直接相关。尽管许多研究并没有清楚地记录他们关于接触的发现,但肖特基性质通常在输出特性中变得明显。

迄今为止最有前途的方法之一是实现几毫米尺寸的接触,涉及位于 GaN/AlN 高密度空穴气体顶部的重掺杂 InGaN 层。这种 p 接触技术目前的铟含量不足 10%,具有进一步探索的潜力,特别是在 LED 领域。然而,由于与 GaN 中离子注入相关的复杂性,接触、接入和/或栅极区域的区别结构仍然是一个具有挑战性的工艺。虽然 n 型再生长对于 HEMT 欧姆接触来说非常先进,但 p 型再生长面临着重新产生或保留脆弱空穴气体的额外限制,从而存在局部电导率降低的风险。

采用宽带隙和超宽带隙技术的先进 CMOS 器件

很明显,随着时间的推移,设备的规模正在缩小,而硅等材料正在变得过时,因此使用宽带隙技术对更好的材料的需求至关重要。在电子设计中选择互补金属氧化物半导体可以带来多种优势,特别是在逻辑系列应用中。CMOS 的独特特性,包括直接驱动、强大的扇出能力、高输入阻抗、近轨到轨摆幅和低静态功耗,使其成为首选。

 

除了数字设计之外,互补器件的适应性还增强了各种电路,展示了它们的多功能性。同时,设备的配置和放置,无论是垂直还是横向,在根据特定应用需求优化性能方面发挥着至关重要的作用。事实证明,片上集成在性能和可靠性方面具有优越性,为更高效、高性能的电子设备铺平了道路。此外,以碳化硅和其他宽带隙材料为重点的材料选择继续塑造 CMOS 制造的动态格局,为未来的电子设备提供可扩展性、可靠性和改进的功能。

当我们深入研究特定的材料考虑因素时,碳化硅因其广泛的温度工作范围和成熟的平台而成为一个著名的参与者。尽管面临高界面陷阱密度和低反转沟道迁移率等挑战,但 1.2-μm HiTSiC 等先进工艺证明了克服这些障碍的持续努力。

相反,氮化镓 CMOS 领域仍处于研究阶段,在制造和分析方面存在重大障碍。

关于 GaN 高电子迁移率晶体管的讨论强调了与欧姆接触相关的困难,特别是在离子注入挑战和 p 型再生长所需的微妙平衡的背景下。对创新材料和制造技术的追求对于推进碳化硅和氮化镓技术仍然至关重要,从而为未来提供更高效、更可靠的电子设备提供了希望。