在功率半導體市場上，碳化硅（SiC）正逐步獲得重視，特別是在電動汽車領域，它越來越受歡迎，但由于成本過高，許多應用場景仍然乏力涉足。

我們對碳化硅的優點已經十分熟悉，但直到最近，由于它仍是一種較為特定的技術，沒有受到足夠的投資。隨著對能適應高電壓應用的芯片需求的逐漸增長，碳化硅得到了更多深入的關注。與其他可能的硅功率器件替代品相比，碳化硅享有熟悉性的優勢。

碳化硅是最早被商業化的半導體之一，最早被應用于晶體收音機的檢測二極管。自2008年以來，商業碳化硅結型場效應晶體管(JFETs)已經上市并在電子設備中得到廣泛應用，特別是在極端環境下。2011年，碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFETs)也開始商業化。這種材料提供了中等的帶隙，其擊穿電壓是硅的10倍。

然而，碳化硅頗難制造。日立能源全球產品管理副總裁Tobias Keller解釋，標準的Czochralski （CZ）生長方法是不可行的。CZ生長法在1500°C左右將硅融化在硅耳坩堝內，但碳化硅的熔點超過2700°C。

一般來說，碳化硅晶體通過Lely方法生長。在氬氣環境中，將碳化硅粉末加熱到2500°C以上，在種晶上進行升華。這種方法生產的結果是可行的，但是層疊錯位和其他缺陷導致它缺陷重重且難以控制。工程師在檢查來料的碳化硅的晶圓時，顯而易見，由于堆疊錯位和其他缺陷，找出很多“死區”。碳化硅器件是在定制的外延器件層上進行優化以適應預期的工作電壓的。較厚的表皮層可以承受更高的電壓，但也會有更多的缺陷。

碳化硅MOSFETs還受到氧化物/碳化物表面通常質量較差的限制。來自日本京都和大阪大學的研究員T. Kimoto及其同事在去年12月份的IEEE電子器件會議（IEDM）上提出，表面產生碳-碳缺陷是由于碳化硅的直接氧化造成的。這些缺陷位置靠近碳化硅的導帶邊緣，它們增加了導通通道電阻，導致設備中閾值電壓的漂移。

作為避免碳化硅氧化的方法，Kimoto的團隊首先用氫等離子體蝕刻了表面，然后通過化學氣相沉積法（CVD）沉積二氧化硅，并對接面進行氮化。這個過程降低了缺陷密度，并將電子遷移率提高了一倍以上，在10V的柵偏壓下達到80 cm2/V-sec。

日立能源（前ABB半導體）的Stephan Wirths和他的同事演示了一個未命名的高介電常數化合物，它能與碳化硅形成低缺陷表面, 不需要SiO2必需的鈍化步驟。正如在硅器件中一樣，對碳化硅金屬氧化物半導體場效應管使用高介電常數介質也會增加在給定電容下的物理厚度，從而減少漏電流。

碳化硅的載流子遷移率較低，這給設備設計師帶來了一個新的挑戰。即使經過幾十年的優化，通過改進介質的載流子遷移率表現最好的碳化硅產品遷移率仍然比硅少10倍。因此，相關通道電阻較硅高出10倍。

對于功率器件，低遷移率限制了其性能和耐久性。器件的電阻和開關損失直接影響電動汽車的續航等參數。盡管植入型摻雜劑和器件結構的改進可以降低通道電阻，但如Sonrisa Research的總裁James Cooper所指出，這同時也導致了電流密度增加并降低短路耐受時間。

短路耐受時間是衡量功率器件安全性的重要參數。如果設備因故發生短路，那么它需要擁有足夠的壽命以保證保護電路反應。失敗可能會對電負載產生永久性損壞，甚至可能導致用戶受傷、火災和財產損失。對于具體要求，依賴于保護電路的設計，但通常時間在5到10微秒之間。隨著電流密度的增加，短路狀態下的溫度也會隨之升高，而耐久時間則會減少。

相比于同等評級的硅器件，碳化硅MOSFET的市場接受度較低，這部分原因是這些設備往往具有較短的耐受時間。因此，設計者們期望改變通道電阻和電流密度之間的關系。我們是否有辦法降低電阻，而不將電流密度提高到危險的水平呢？

可能的解決方案是降低電極偏壓并減小氧化物厚度。Cooper解釋道，薄氧化物提高了對通道的控制——要知道在硅MOSFET中就運行在低電壓下。這種解決方案需要對制造過程進行微調。雖然關于薄介質碳化硅器件的研究較少，但硅器件使用的氧化物厚度薄達到5nm，且沒有引發過多的隧道效應。如上所述，使用高介電常數適宜可以在保持物理厚度的同時提供更好的通道控制。

SUNY理工學院的Dongyoung Kim和Woongje Sung提出了另一種解決方案，他們嘗試通過增加有效通道寬度來降低電流密度。他們沿 SiC晶格方向使用離子引導，以4°的傾斜角植入深P井。這種方法只需要微小的改動即可應用于制造過程中，因為深井摻雜和常規井使用的掩蔽材料相同。最終所得的器件可以減小最大漏電流約2.7倍，同時將耐受時間提高了4倍。

針對類似的問題，硅工業則轉向了如今無所不在的FinFET。通過在特定電流下增加通道面積，可以降低電流密度。普渡大學的研究人員展示了一個具有多個亞微米fin的碳化硅三柵金屬氧化物半導體場效應管，并實現了對特定通道電阻的3.6倍降低。

雖然目前還不清楚功率設備行業會以多快的速度采納像FinFET這樣的顛覆性架構，但碳化硅的高擊穿電壓無疑是一大吸引力。希望實現這一優勢的制造商需要找到解決低遷移率和高電流密度問題的辦法。