碳化硅（SiC）功率器件在高擊穿電壓、低功耗和快速開關方面明顯優(yōu)于成熟的硅（Si）器件。本文簡要介紹了SiC功率器件的主要特點，然后介紹了SiC pn結擊穿現(xiàn)象的研究工作以及考慮能帶結構的相關討論。接下來，介紹了SiC金屬氧化物半導體場效應晶體管（最重要的單極器件）的最新進展，重點是SiO上通道遷移率的改善2/碳化硅接口。介紹了用于超高壓（>10 kV）應用的SiC雙極器件的開發(fā)，例如引腳二極管和絕緣柵雙極晶體管，并展示了提高載流子壽命的效果。還描述了大規(guī)模生產(chǎn)的現(xiàn)狀以及SiC功率器件如何為節(jié)能做出貢獻。

關于晶體結構，SiC可以以許多（超過100種）不同的形式結晶，稱為“多型”，其中Si-C對沿一個方向的堆疊序列因不同的多型而異。21)對于電子應用，我們必須確定最合適的SiC多型，并且必須生長出高質量和大的單晶，不含外來多型的夾雜物。SiC的早期發(fā)展致力于SiC體積和外延生長中的多型控制。22)在1990年代初期，專門研究了3C-SiC（立方相）和6H-SiC（六方相），第一個1 kV SiC肖特基勢壘二極管（SBD）是用6H-SiC制造的。23)1994年，人們發(fā)現(xiàn)4H-SiC多型（另一個六方相）遠優(yōu)于3C-SiC和6H-SiC，具有更高的電子遷移率和更寬的帶隙。24–26)在這一發(fā)現(xiàn)之后，4H-SiC已被專門研究和生產(chǎn)用于功率器件應用。8)在本文中，為簡單起見，4H-SiC表示為SiC。

基于以日本、美國和歐洲為中心對生長、材料特性和器件加工技術的廣泛研究，SiC SBD和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的生產(chǎn)已經(jīng)開始。然而，SiC功率MOSFET的性能仍遠未達到材料的全部潛力。此外，許多重要的內在特性和缺陷的性質是未知的。對SiC中載流子傳輸、載流子復合和擊穿現(xiàn)象的物理理解也很差。這種材料獨特的六方晶體結構、寬帶隙和復雜的能帶結構使得表征物理性質和適當解釋采集的數(shù)據(jù)變得非常困難。由于材料的高機械硬度和化學惰性，制備適當?shù)臉悠方Y構或器件結構進行表征也很困難。

SiC功率器件的典型結構示意圖如圖所示。圖例.1.1.數(shù)字圖1（a）1（a）和（b）分別顯示了肖特基二極管和PN二極管（通常稱為“PN二極管”），其中金屬陽極或p陽極形成在相對較厚的n層（電壓阻斷區(qū)）上，該n層通過其歐姆接觸連接到底部低電阻率n基板。當正電壓施加到陽極時，這些二極管必須允許電流以低導通電阻平穩(wěn)流動（正向偏置條件），而當負電壓施加到陽極時，它們必須完全阻斷電流（反向偏置條件）。當施加高負電壓時，為了完全阻斷硅基二極管中的電流，需要相對較厚的n層將二極管內的電場降低到其臨界值以下，以防止擊穿現(xiàn)象（或電流的發(fā)生）。在反向偏置下?lián)舸r，Si二極管內的電場如圖中的藍色三角形所示。+++圖22作為與結點距離的函數(shù)，即陽極和n層之間的界面。對于SiC二極管來說，情況則完全不同，因為SiC維持的電場（擊穿場或臨界電場）要高得多，大約是Si的十倍。因此，SiC二極管中的n層可以是Si二極管的十倍左右，以實現(xiàn)相同的擊穿電壓，如圖中的紅色三角形所示。圖例.2.2.這里是圖中直角三角形的面積。圖22對應于擊穿電壓。此外，n層的摻雜密度與圖中圖的斜率成正比。圖2，2，使用SiC可以增加100倍。由于n層更薄且摻雜量更大，在給定擊穿電壓下，SiC器件的n層電阻比Si器件低約400-800倍。這就是為什么SiC器件表現(xiàn)出低得多的導通電阻（導通電阻）的主要原因，從而在器件運行期間顯著降低焦耳熱。

通常，功率器件必須在關斷狀態(tài)下維持相當高的電壓。在反向偏置二極管和關斷晶體管中，電流通常保持得可以忽略不計，但如果施加的電壓超過所謂的擊穿電壓，電流就會增加到相當大的水平。對于輕摻雜半導體，這種擊穿過程是由載流子的雪崩現(xiàn)象引起的，而在重摻雜材料中，它是由齊納隧穿過程引起的。為了闡明SiC中的這些擊穿過程，對各種pn二極管進行了系統(tǒng)研究，如下所述。請注意，SiC能帶結構的復雜和各向異性方面以及位錯可能會影響擊穿過程。

在功率器件中，MOSFET和SBD等單極器件是理想的，因為單極器件具有快速和低損耗的開關特性，并且更容易制造。在單極器件中，n層（漂移層或阻斷層）的電阻由厚度和供體密度決定，因為只有有意摻雜的供體提供的電子才會產(chǎn)生電流。然而，當擊穿電壓設計為超過一定值時，n層電阻（漂移電阻）變得高得令人無法接受，這在圖中顯示為材料極限。圖例.3.3.在硅功率器件中，n層電阻變得非常高（>50 mΩcm2）當擊穿電壓高于600–800 V時。對于高壓器件，利用從p區(qū)到厚n層的少數(shù)載流子注入（雙極性操作），這導致n層電阻的顯著降低，因為電子和空穴的密度都高于供體密度，都會對電流產(chǎn)生影響。因此，IGBT等雙極器件用于高壓應用。

硅功率器件的一個固有限制是超高壓阻斷能力。當擊穿電壓超過10 kV時，n層所需的厚度和供體密度變?yōu)榧s1.2 mm和1×1013厘米?3分別。這種晶片難以生產(chǎn)，所需的供體密度接近120°C時Si的固有載流子密度。與硅相比，超高壓SiC器件的制造要容易得多，因為臨界電場高出約十倍。例如，10 kV SiC器件所需的n層的厚度和供體密度約為80μm和8×1014厘米?3分別。然而，即使使用SiC，這種厚且輕摻雜的n層的電阻對于這種超高壓單極器件也會變得很高。因此，SiC雙極器件對10 kV（或更高）應用具有吸引力。

碳化硅功率器件的應用！

通過SiC材料和器件技術的快速進步，SiC器件因其高性能和可靠性而成為寬帶隙半導體功率器件中最成熟的。數(shù)字圖2424原理圖顯示了Si、SiC、GaN和Ga器件阻斷電壓方面的主要應用范圍2O3功率開關器件（未顯示二極管）。關于硅功率器件，功率MOSFET主要采用在800 V以下的阻斷電壓范圍內，而IGBT則在高于600 V的電壓范圍內使用。28)硅晶閘管主要在非常高的電壓范圍內使用。預計SiC功率MOSFET將取代阻斷電壓范圍為600至6500 V的Si器件，因為它們具有低導通電阻和快速開關。然而，低于500 V，SiC器件將很難與Si競爭，因為這種低電壓范圍內的Si功率MOSFET表現(xiàn)出高性能，并且通常與柵極驅動電路和傳感器集成在一起。SiC IGBT在5-8 kV以上的極高阻斷電壓范圍內很有前景。

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審核編輯 ：李倩