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，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。還描述了大規模生產的現狀以及SiC功率器件如何為節能做出貢獻。

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，人們發現4H-SiC多型（另一個六方相）遠優于3C-SiC和6H-SiC，具有更高的電子遷移率和更寬的帶隙。24–26)在這一發現之后，4H-SiC已被專門研究和生產用于功率器件應用。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）的生產已經開始。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據變得非常困難。由于材料的高機械硬度和化學惰性，制備適當的樣品結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）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，以防止擊穿現象（或電流的發生）。在反向偏置下擊穿時，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，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區到厚n層的少數載流子注入（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為約1.2 mm和1×1013厘米?3分別。這種晶片難以生產，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