碳化硅材料及技術研究進展

劉義鶴 江洪

一、引言

在半導體材料的發(fā)展歷史上，通常將硅（Si）、鍺（Ge）稱作第1代半導體。將砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、磷化鎵（GaP）等為代表的合金半導體稱作第2代半導體。在其之后發(fā)展起來的寬帶隙半導體，碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）及金剛石等稱為第3代半導體。SiC作為第3代半導體的杰出代表之一，相比前2代半導體材料，具有寬帶隙、高熱導率高、較大的電子飽和漂移速率、高化學穩(wěn)定性、高擊穿電場高等諸多優(yōu)點，在高溫、高頻、大功率器件[1-3]的制作上獲得廣泛應用。SiC晶體有著很多不同的多型體，不同多型體的禁帶寬度在2.3～3.3eV之間，因而，SiC也被用于制作藍、綠和紫外光的發(fā)光[4]、光探測器件[5]，太陽能電池[6]，以及智能傳感器件[7]等。另外，SiC能夠氧化形成自然絕緣的二氧化硅（SiO2）層，同時也具有制造各種以金屬-氧化物-半導體（MOS）為基礎的器件的巨大潛能[8]。表1給出了不同多型體SiC和其他半導體材料相比的主要物理性質。

二、SiC的生長方式進展

近10年，SiC及其納米材料的制備方式通常有碳納米管模板輔助法、電弧放電法、激光法、溶膠凝膠和碳熱還原法、化學氣相沉積法，以及高頻電感加熱法制備。表2給出了不同生長方式的比較結果。

三、SiC應用進展

1.SiC功率器件

傳統(tǒng)的硅基功率器件由于本身物理性質的限制——例如目前商用Si基絕緣柵雙極晶體管（IGBT） 的最大擊穿電壓為6.5kV，目前所有的硅基器件都無法在200℃以上正常工作——很大程度上降低了功率器件的工作效率。而新一代基于寬禁帶半導體的功率器件能夠很好地解決這些問題。雖然GaN在高頻與高壓下表現更好，但SiC更易于制出高質量晶體，并且具有更高的熱導率，因而SiC獲得了更廣的應用。

2.SiC功率整流器

相比Si，SiC的擊穿電壓高出一個量級。并且由于高導熱性，SiC器件所需的冷卻系統(tǒng)更小。SiC功率整流器通常有3種：①肖特基勢壘管（SBD）具有高開關速度和低開啟狀態(tài)功耗。但是擊穿電壓較低，漏電流相對較大。②p-i-n管，能在高壓下工作，漏電流小，但在開關狀態(tài)轉換時會出現反向恢復電荷。③結型勢壘肖特基管（JBS），開啟狀態(tài)表現出肖特基管性質，而關閉狀態(tài)表現出p-i-n管性質。

SiC肖特基管自2001年實現商用，其擊穿電壓和傳導電流有著持續(xù)改進。由300V/10A發(fā)展1.2～1.7kV，以及50A的額定電流。目前，商用3.3kV擊穿電壓的肖特基管已經發(fā)布。SiC整流管并且已經被認為在600～3 000V范圍內將取代Si基整流管。

高溫場合的大面積3.3kV，正向電流范圍為10～20A的肖特基管已經制備出來，例如在BepiColombo ESA任務中用于太空中惡劣環(huán)境的300V，5A肖特基勢壘二極管[9]。另外，SiC SBD非常適用于高速開關應用，和Si基器件比起來，SiC SBD的反向恢復電荷更低。因此，SiC SBD非常適合作為續(xù)流二極管和Si基IGBT配合使用。圖1給出了SiC三種整流器在25℃和300℃下的關斷電流波形。

混合了p-i-n和肖特基結構的混合整流器由于同時具備p-i-n的高擊穿電壓和SBD的低反向恢復電荷而有著特殊吸引力。如今1.2kV的混合整流器已經實現商用，并且Infineon公司推出了第5代thinQ！TM系列650-V JBS二極管，該二極管基于一種薄晶片工藝，能以正溫度系數容納大電流和雪崩效應。另外，科銳（Cree）公司已經推出了在IGBT模塊里作為反平行二極管使用的高電流（50A）JBS二極管，以及75～100A/1.2kV到20 A/10kV的JBS二極管。

由于可靠性問題（主要是正向電流漂移），市面上目前還沒有SiC雙極性晶體管。目前已報道的最高技術水平的SiC p-i-n二極管在180A（100A/cm2）電流下正向壓降為3.2V，擊穿電壓為4.5kV，反向電流1μA[10]。事實上，擊穿電壓20kV的結構已經實現[11]，但仍需解決半導體晶體質量問題才能獲得商用。

3.SiC單極功率開關

在600V電壓范圍以內Si基金氧半場效晶體管（MOSFET）以及IGBT性能還能優(yōu)于SiC基器件，但在1.2～1.7kV，Si基MOSFET由于有較大的傳導性降低，而IGBT則在快速開關上表現出較高的動態(tài)損失。

SiC基功率開關由于具有極低的開啟態(tài)電阻，并且能應用于高壓、高溫、高頻場合。因此是Si基器件的理想替代者。英飛凌（Infineon）公司推出了1.5kV、0.5Ω開啟態(tài)電壓的混合開關，應用于諧振變換器和電源。它包括1.5kV垂直SiC常開的JFET（如圖2所示），和一個60Vn型導電溝道的Si基MOSFET共發(fā)射極共基極放大器[12]；并且，Infineon公司還推出了一個1.2kV、70mΩ開啟態(tài)電阻SiC基JFET開關[14]。這種解決方案能夠讓器件堅固性更強。

雖然這種SiC基JFET技術能夠讓器件耐壓值達到4.5kV，但由于有低壓的Si基 MOSFET集成，這種混合開關不能應用于高溫場合。為了克服這種局限，新的SiC常關態(tài)溝道JFET被制備出來。這種新器件基于SiC p-n結自身的高電壓，但同時，溝道電阻高，閾值電壓低。因此為了獲得高性能的常關SiC JFET仍需進一步研究。

由于目前能夠制得的反型溝道遷移率非常低，推遲了低阻載流子的遷移率功率MOSFET器件的研制。近年來很多研究工作都集中于金屬-氧化物-半導體（MOS）界面改善和MOSFET集成。Si基MOS器件最大的進展在于降低界面的捕獲態(tài)密度（Dit）和改善器件表面形貌。行之有效的2項技術分別是將氮氣或者三氯氧磷（POCl3）應用于退火、后氧化過程，以及在晶體其他晶面形成MOS溝道。

4.SiC雙極功率開關

由于具有導電調制效應，SiC IGBT被認為是最具有高壓應用潛力的功率器件。SiC基IGBT今年來獲得很大研究熱情，擊穿電壓超過10kV的結構也已經有報道[17]。并且，在不久預計能夠將擊穿電壓提高到20～30kV[17]。MOS界面晶體質量和溝道內載流子遷移率是制備高性能IGBT的關鍵因素。另外，外延層的生長工藝也值得進一步研究改進。最近，科瑞公司推出了極高壓4H-SiC基IGBT[18]。具體來說，4H-SiC基p型溝道IGBT，其面積6.7mm×6.7mm，有源區(qū)0.16cm2，具有15kV擊穿電壓，柵偏壓-20V時室溫差分特異性開啟導通電阻24m？·cm2。而具有相同面積的4H-SiC基n溝道IGBT具有12.5kV擊穿電壓，柵偏壓20V時，室溫差分特異性開啟導通電阻為5.3m？·cm2。

SiC基BJT雖然和p-i-n結型整流器一樣有可靠性問題，但仍然具有廣闊應用前景。這些器件近年來制備工藝技術已經發(fā)展得相當成熟了。例如，Cree公司推出了4kV，10ABJT，其有源區(qū)放大增益為34。芯片面積為4.24mm×4.24mm，能夠在50μA漏電流下耐受4.7kV電壓。室溫下其開啟和關閉時間分別為168和106ns。然而，由于基極區(qū)域不可避免地存在位錯缺陷[21]，SiC基BJT在正向壓力下仍然表現出電流增益和正向電壓的降低。

最后，一些SiC基GTO結構由于能夠從傳導調制性以及正向壓降下的負溫度系數獲益而被研究出來。目前報道具有最高性能的結構是SiC換流關斷晶閘管（SiC Commutated Gate turn-off Thyristor，SiC GT），其截面圖如圖3所示。

該結構擊穿電壓4.5kV，電流120A，芯片面積8mm×8mm，表面包裹一種新型耐400℃高溫的環(huán)氧樹脂。在120A電流下正向壓降為5V，250℃，4.5kV偏壓下漏電流小于5×10-6A/cm2，開啟和關閉時間分別為0.2μs和1.7μs。另外，使用back-to-back系統(tǒng)12V直流總線，功率為120kW的3相轉換器也利用的SiC GT和SiC基p-i-n晶體管集成制備出來。

5.光電探測器領域領域

4H-SiC材料除了上述優(yōu)越性能外，作制備為紫外光點探測器的材料，還具有一下優(yōu)勢：①可見光盲。4H-SiC在室溫下的禁帶寬度為3.26 eV，截止波長約為380.3nm，因此晶體質量好的4H-SiC制成的探測器幾乎不會對可見光有響應。②在太陽盲光譜區(qū)域具有高量子效率。270～280nm范圍的紫外光對ZnO和GaN等材料穿透深度小于0.1μm，而對4H-SiC穿深能達到1～5μm，因而更多光子能夠到達器件有源區(qū)，從而提高量子效率。③漏電流小。由于4H-SiC本征載流子濃度只有10-8/cm3量級，因而4H-SiC器件漏電流比Si材料要小2個量級以上。④抗輻射，耐高溫。⑤材料生長工藝成熟。表現在4H-SiC具有晶格匹配的生長襯底，2～4英寸的晶片以實現商用。

Sciuto等[19]制備出一種垂直結構4H-SiC基MSM結構探測器。該器件正面使用Ni2Si微結構肖特基接觸叉指電極，背面為Ni做歐姆接觸電極。1V偏壓下暗電流為1pA左右。偏壓50V下，暗電流仍小于200pA。在256nm光照下，光電流比暗電流增大2個數量級。效應度160mA/W，內量子效率78%。

傳統(tǒng)Si基光電探測器工不能在超過125℃的溫度下工作，高溫下暗電流增大嚴重，且光學特性也發(fā)生改變，導致靈敏度和響應嚴重下降。SiC基器件卻能解決該問題。Lien等人[20]制備出在450℃下具有高靈敏度的MSM探測器。其探測器在環(huán)境溫度由25℃增加到400℃時，其光響應上升、下降時間分別由594μs和699μs分別增加到684μs和786μs，上升幅度很小。這時目前光電探測器正常工作能達到的最高溫度。

波長范圍為10～100nm的遠紫外線（EUV）由于在半導體內穿透深度只有2nm～0.2μm，因此大部分紫外光在材料表面就被吸收，光生載流子多數在表面缺陷復合，無法到達耗盡區(qū)形成光電流，因此量子效率非常低。Xin等人[21]首次制備出一種大面積的4H-SiC EUV光電探測器。其截面示意圖如圖4所示。器件背面采用鎳（Ni）電極，正面采用半透明肖特基勢壘電極，材料為10nm鎳和7.5nm鉑層。其對260～280nm波長紫外光探測效率最高，為40%～45%，紫外可見抑制比>1×103。在120～200nm范圍，量子效率隨波長增加而增加，鎳和鉑金肖特基器件對120nm紫外光量子效率分別為4%和9%，對200nm則為15%～18%和20%。在21.5nm和77.5nm范圍內量子效率則隨波長減小而增加，分別為176%、147%。

在探測器老化方面，據Siuto等人報道[22]，他們分別用強度為1mW/cm2、中心波長256nm紫外光和256nm光強101mW/cm2的汞燈未分光，在60℃，10V偏壓下連續(xù)照射探測器200h，這2種條件下器件的所有性能幾乎保持不變。表明SiC基探測器能很好的經受高強紫外輻射。而Prasai等人[23]用強度4.2mW/cm2，中心波長254nm的低壓汞燈對4H-SiC基pn結型光電探測器分別照射1.6h和93h。結果表明，探測器光電流在照射42h和72h后，光電流分別只下降了5%和4%，之后光電流穩(wěn)定，進一步證實了4H-SiC基材料具備超強的抗紫外輻射性質。

雪崩倍增光電探測器方面，美國德克薩斯大學的坎貝爾課題組在4H-SiC基光電探測器作了一系列工作，降低器件暗電流，提高器件性能。他們首先對化學氣相沉積法（PECVD）和熱生長SiO2介質層對器件性能影響進行比較[24]，結果表明熱生長代替PECVD生長的SiO2層能將暗電流減小80%。他們總結為熱生長的SiO2層具有更好的致密性，因而能對器件具有更好的鈍化保護作用。他們隨后比較了側壁在垂直和具有10°傾角的情況下的I-V特性[25]。發(fā)現在低偏壓時2種結構暗電流均較小，約1pA。但垂直側壁結構器件在29V偏壓下暗電流開始增加，達到雪崩電壓時，暗電流增加2個量級。而具有傾斜側壁的器件在雪崩擊穿前基本不隨電壓變化。垂直側壁器件當增益為50時會發(fā)生明顯邊緣擊穿，而傾斜側壁器件增益達到1 000時才會出現邊緣擊穿。表明針對雪崩光電管的側壁進行結構改進能顯著提高器件性能。

之后，該課題組進行了一系列結構創(chuàng)新，如雙臺面?zhèn)缺诮Y構[26]，凹槽光窗結構[27]，質子注入隔離結構[28]等，使得器件按電流在增益1 000時小于5pA，增益達到與光電倍增管相當的水平，使雪崩光電二極管工作溫度達到200℃，大幅提升器件擊穿電壓和光響應度。其最新雪崩光電管能夠探測到fW量級（10～15W）的微弱紫外光，單光子計數模式的4H-SiC基雪崩管單光子監(jiān)測率達到30%。

除了在功率器件以及光電器件方面取得的巨大進展，SiC復合材料，陶瓷材料，也由于所具有的優(yōu)良性質獲得極大發(fā)展。在傳感器等方面也有廣闊的應用的前景。

四、結語

近十幾年來，為滿足極端條件下半導體器件的應用需求，人們對SiC材料與器件進行了大量的研究工作，取得了非常多的成果。但SiC要充分發(fā)揮其應用潛力還有很多工作需要進一步進行與完善。其中繼續(xù)改善SiC晶體生長工藝，降低生產成本，提高晶體質量，提高摻雜濃度等基礎方面顯得尤為重要。SiC材料在未來仍然具有極大的研究價值。相信不久，一系列性能更好，價格更低的SiC產品將出現于市場，造福人類社會。

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