碳化硅早在 1842 年就被發(fā)現(xiàn)了，但因其制備時的工藝難度大，并且器件的成品率低，導(dǎo)致了價格較高，這影響了它的應(yīng)用。直到 1955 年，生長高品質(zhì)碳化硅的方法出現(xiàn)促進了 SiC 材料的發(fā)展，在航天、航空、雷達和核能開發(fā)的領(lǐng)域得到應(yīng)用。1987 年，商業(yè)化生產(chǎn)的 SiC 進入市場，并應(yīng)用于石油地熱的勘探、變頻空調(diào)的開發(fā)、平板電視的應(yīng)用以及太陽能變換的領(lǐng)域。
碳化硅材料有很多優(yōu)點，如禁帶寬度很大、臨界擊穿場強很高、熱導(dǎo)率很大、飽和電子漂移速度很高和介電常數(shù)很低如表 1-1。首先大的禁帶寬度，如 4H-SiC其禁帶寬度為 3.26 eV，是硅材料禁帶寬度的三倍多，這使得器件能耐高溫并且能發(fā)射藍光；高的臨界擊穿場強，碳化硅的臨界擊穿場強 (2-4 MV/cm)很高，4H-SiC的臨界擊穿場強為 2.2 MV/cm，這要高出 Si 和 GaAs 一個數(shù)量級，所以碳化硅器件能夠承受高的電壓和大的功率；大的熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率是 Si 的 3.3 倍和 GaAs 的10 倍，熱導(dǎo)率大，器件的導(dǎo)熱性能就好，集成電路的集成度就可以提高，但散熱系統(tǒng)卻減少了，進而整機的體積也大大減小了；高的飽和電子漂移速度和低的介電常數(shù)能夠允許器件工作在高頻、高速下。但是值得注意的是碳化硅具有閃鋅礦和纖鋅礦結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中每個原子都被四個異種原子包圍，雖然 Si-C 原子結(jié)合為共價鍵，但硅原子 1.8 的負電性小于負電性為 2.6 的 C 原子，根據(jù) Pauling 公式，離子鍵合作用貢獻約占 12%，從而對載流子遷移率有一定的影響，據(jù)目前已發(fā)表的數(shù)據(jù)，各種碳化硅同素異形體中，輕摻雜的 3C-SiC 的載流子遷移率最高，與之相關(guān)的研究工作也較多，在較高純的 3C-SiC 中，其電子遷移率可能會超過 1000 cm/（V.s），最高的跟硅也有一定的差距。 [1]
與 Si 和 GaAs 相比，除個別參數(shù)外（遷移率），SiC 材料的電熱學(xué)品質(zhì)全面優(yōu)于 Si 和 GaAs 等材料，僅次于金剛石。因此碳化硅器件在高頻、大功率、耐高溫、抗輻射等方面具有巨大的應(yīng)用潛力，它可以在電力電子技術(shù)領(lǐng)域打破硅的極限，成為下一代電力電子器件。 [1]
碳化硅功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀
碳化硅器件的出現(xiàn)大大的改善了半導(dǎo)體器件的性能，滿足國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的需要，目前，美國、德國、瑞典、日本等發(fā)達國家正競相投入巨資對碳化硅材料和器件進行研究。美國國防部從 20 世紀 90 年代就開始支持碳化硅功率器件的研究，在 1992 年就成功研究出了阻斷電壓為 400 V 的肖特基二極管。碳化硅肖特基勢壘二極管于 21 世紀初成為首例市場化的碳化硅電力電子器件。美國Semisouth 公司研制的 SiC SBD（100 A、600 V、300 ℃下工作）已經(jīng)用在美國空軍多電飛機。由碳化硅 SBD 構(gòu)成的功率模塊可在高溫、高壓、強輻射等惡劣條件下使用。目前反向阻斷電壓高達 1200 V 的系列產(chǎn)品，其額定電流可達到 20 A。碳化硅 SBD 的研發(fā)已經(jīng)達到高壓器件的水平，其阻斷電壓超過 10000 V，大電流器件通態(tài)電流達 130 A的水平。 [1]
SiC PiN 的擊穿電壓很高，開關(guān)速度很快，重量很輕，并且體積很小，它在 3KV以上的整流器應(yīng)用領(lǐng)域更加具有優(yōu)勢。2000年Cree公司研制出19.5 KV的臺面PiN二極管，同一時期日本的 Sugawara 研究室也研究出了 12 KV 的臺面 PiN 二極管。2005 年 Cree 公司報道了 10 KV、3.75 V、50 A 的 SiC PiN 二極管，其 10 KV/20 A PiN二極管系列的合格率已經(jīng)達到 40%。
SiC MOSFET 的比導(dǎo)通電阻很低，工作頻率很高，在高溫下能夠穩(wěn)定的工作，它在功率器件領(lǐng)域很有應(yīng)用前景。目前國際上報道的幾種結(jié)構(gòu)：UMOS、VDMOS、LDMOS、UMOS ACCUFET，以及 SIAFET 等。2008 年報道的雙 RESURF 結(jié)構(gòu)LDMOS，具有 1550 V 阻斷電壓. [1]
2碳化硅肖特基二極管
播報
SBD 在導(dǎo)通過程中沒有額外載流子的注入和儲存，因而反向恢復(fù)電流小，關(guān)斷過程很快，開關(guān)損耗小。傳統(tǒng)的硅肖特基二極管，由于所有金屬與硅的功函數(shù)差都不很大，硅的肖特基勢壘較低，硅 SBD 的反向漏電流偏大，阻斷電壓較低，只能用于一二百伏的低電壓場合且不適合在 150 ℃以上工作。然而，碳化硅 SBD彌補了硅 SBD 的不足，許多金屬，例如鎳、金、鈀、鈦、鈷等，都可以與碳化硅形成肖特基勢壘高度 1 eV 以上的肖特基接觸。據(jù)報道，Au/4H-SiC 接觸的勢壘高度可達到 1.73 eV，Ti/4H-SiC 接觸的勢壘比較低，但最高也可以達到 1.1 eV。6H-SiC與各種金屬接觸之間的肖特基勢壘高度變化比較寬，最低只有 0.5 eV，最高可達1.7 eV。于是，SBD 成為人們開發(fā)碳化硅電力電子器件首先關(guān)注的對象。它是高壓快速與低功率損耗、耐高溫相結(jié)合的理想器件。目前國際上相繼研制成功水平較高的多種類的碳化硅器件。 [1]
SiC 肖特基勢壘二極管在 1985 年問世，是 Yoshida 制作在 3C-SiC 上的，它的肖特基勢壘高度用電容測量是 1.15 (±0.15) eV，用光響應(yīng)測量是 1.11 (±0.03) eV，它的擊穿電壓只有8 V，第一只6H-SiC肖特基二極管的擊穿電壓大約有200 V，它是由 Glover. G. H 報道出來的。Bhatnagar 報道了第一個高壓 400 V 6H-SiC 肖特基勢壘二極管 ，這個二極管有低通態(tài)壓降（1 V），沒有反向恢復(fù)電流。隨著碳化硅單晶、外延質(zhì)量及碳化硅工藝水平不斷地不斷提高，越來越多性能優(yōu)越的碳化硅肖特基二極管被報道。1993 年報道了第一只擊穿電壓超過 1000V的碳化硅肖特基二極管，該器件的肖特基接觸金屬是 Pd，它采用 N 型外延的摻雜濃度1×10cm，厚度是 10μm。高質(zhì)量的4H-SiC單晶的在 1995 年左右出現(xiàn)，它比
6H-SiC的電子遷移率要高，臨界擊穿電場要大很多，這使得人們更傾向于研究4H-SiC的肖特基二極管。Ni/4H-SiC 肖特基二極管是在 1995年第一次被報道的，它采用的外延摻雜濃度為 1×1016 cm，厚度 10 μm，擊穿電壓達到 1000 V，在 100A/cm 時正向壓降很低為 1.06 V，室溫下比導(dǎo)通電阻很低，為 2×10 Ω·cm。2005 年 Tomonori Nakamura 等人用 Mo 做肖特基接觸，擊穿電壓為 4.15 KV，比接觸電阻為 9.07 mΩ·cm，并且隨著退火溫度的升高，該肖特基二極管的勢壘高度也升高，在 600 ℃的退火溫度下，其勢壘高度為 1.21 eV，而理想因子很穩(wěn)定，隨著退火溫度的升高理想因子沒有多少變化。 J. H. Zhao 采用 N 型碳化硅外延，用多級結(jié)終端擴展技術(shù)制作出擊穿電壓高達10.8 KV Ni/4H-SiC 肖特基二極管，外延的摻雜濃度為 5.6×10cm，厚度為115μm，此肖特基二極管利用多級結(jié)終端擴展技術(shù)來保護肖特基結(jié)邊緣以防止它提前擊穿。 [1]
國內(nèi)的 SiC 功率器件研究方面因為受到 SiC 單晶材料和外延設(shè)備的限制起步比較晚，但是卻緊緊跟蹤國外碳化硅器件的發(fā)展形勢。國家十分重視碳化硅材料及其器件的研究， 在國家的大力支持下經(jīng)已經(jīng)初步形成了研究 SiC 晶體生長、SiC器件設(shè)計和制造的隊伍。電子科技大學(xué)致力于器件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，在新結(jié)構(gòu)、器件結(jié)終端和器件擊穿機理方面做了很多的工作，并且提出寬禁帶半導(dǎo)體器件優(yōu)值理論和寬禁帶半導(dǎo)體功率雙極型晶體管特性理論。 [1]
34H-SiC 結(jié)勢壘肖特基二極管
功率二極管是功率半導(dǎo)體器件的重要組成部分，主要包括 PiN 二極管，肖特基勢壘二極管和結(jié)勢壘控制肖特基二極管。本章主要介紹了肖特基勢壘的形成及其主要電流輸運機理。并詳細介紹了肖特基二極管和結(jié)勢壘控制肖特基二極管的電學(xué)特性及其工作原理，為后兩章對 4H-SiC JBS 器件電學(xué)特性的仿真研究奠定了理論基礎(chǔ)。 [2]
肖特基二極管
肖特基二極管是通過金屬與N型半導(dǎo)體之間形成的接觸勢壘具有整流特性而制成的一種屬-半導(dǎo)體器件。肖特基二極管的基本結(jié)構(gòu)是重摻雜的N型4H-SiC片、4H-SiC外延層、肖基觸層和歐姆接觸層。由于電子遷移率比空穴高，采用N型Si 、SiC 或GaAs為材料，以獲得良好的頻率特性，肖特基接觸金屬一般選用金、鉬、鎳、鋁等。金屬-半導(dǎo)體器件和PiN結(jié)二極管類似，由于兩者費米能級不同，金屬與半導(dǎo)體材料交界處要形成空間電荷區(qū)和自建電場。在外加電壓為零時，載流子的擴散運動與反向的漂移運動達到動態(tài)平衡，這時金屬與N型4H-SiC半導(dǎo)體交界處形成一個接觸勢壘，這就是肖特基勢壘。肖特基二極管就是依據(jù)此原理制作而成。 [2]
肖特基接觸
金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)不同，電荷越過金屬/半導(dǎo)體界面遷移，產(chǎn)生界面電場，半導(dǎo)體表面的能帶發(fā)生彎曲，從而形成肖特基勢壘，這就是肖特基接觸。金屬與半導(dǎo)體接觸形成的整流特性有兩種形式，一種是金屬與 N 型半導(dǎo)體接觸，且 N 型半導(dǎo)體的功函數(shù)小于金屬的功函數(shù)；另一種是金屬與 P 型半導(dǎo)體接觸，且 P 型半導(dǎo)體的功函數(shù)大于金屬的功函數(shù)。
金屬與 N 型 4H-SiC 半導(dǎo)體體內(nèi)含有大量的導(dǎo)電載流子。金屬與 4H-SiC 半導(dǎo)體材料的接觸僅有原子大小的數(shù)量級間距時，4H-SiC 半導(dǎo)體的費米能級大于金屬的費米能級。此時 N 型 4H-SiC 半導(dǎo)體內(nèi)部的電子濃度大于金屬內(nèi)部的電子濃度，兩者接觸后，導(dǎo)電載流子會從 N 型 4H-SiC 半導(dǎo)體遷移到金屬內(nèi)部，從而使 4H-SiC 帶正電荷，而金屬帶負電荷。電子從 4H-SiC 向金屬遷移，在金屬與 4H-SiC 半導(dǎo)體的界面處形成空間電荷區(qū)和自建電場，并且耗盡區(qū)只落在 N 型 4H-SiC 半導(dǎo)體一側(cè)，在此范圍內(nèi)的電阻較大，一般稱作“阻擋層”。自建電場方向由 N 型 4H-SiC 內(nèi)部指向金屬，因為熱電子發(fā)射引起的自建場增大，導(dǎo)致載流子的擴散運動與反向的漂移運動達到一個靜態(tài)平衡，在金屬與4H-SiC 交界面處形成一個表面勢壘，稱作肖特基勢壘。4H-SiC 肖特基二極管就是依據(jù)這種原理制成的。 [2]
肖特基勢壘中載流子的輸運機理
金屬與半導(dǎo)體接觸時，載流子流經(jīng)肖特基勢壘形成的電流主要有四種輸運途徑。這四種輸運方式為：
1、N 型 4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的載流子電子越過勢壘頂部熱發(fā)射到金屬；
2、N 型 4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的載流子電子以量子力學(xué)隧穿效應(yīng)進入金屬；
3、空間電荷區(qū)中空穴和電子的復(fù)合；
4、4H-SiC 半導(dǎo)體與金屬由于空穴注入效應(yīng)導(dǎo)致的的中性區(qū)復(fù)合。
載流子輸運主要由前兩種情況決定，第 1 種輸運方式是 4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的載流子越過勢壘頂部熱發(fā)射到金屬進行電流輸運，也就是整流接觸。第 2 種輸運方式又分成兩個狀況，隨著 4H-SiC 半導(dǎo)體摻雜濃度的增加，耗盡層逐漸變薄，肖特基勢壘也逐漸降低，4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的載流子由隧穿效應(yīng)進入到金屬的幾率變大。一種是4H-SiC 半導(dǎo)體的摻雜濃度非常大時，肖特基勢壘變得很低，N 型 4H-SiC 半導(dǎo)體的載流子能量和半導(dǎo)體費米能級相近時的載流子以隧道越過勢壘區(qū)，稱為場發(fā)射。另一種是載流子在 4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶的底部隧道穿過勢壘區(qū)較難，而且也不用穿過勢壘，載流子獲得較大的能量時，載流子碰見一個相對較薄且能量較小的勢壘時，載流子的隧道越過勢壘的幾率快速增加，這稱為熱電子場發(fā)射。 [2]
反向截止特性
肖特基二極管的反向阻斷特性較差，是受肖特基勢壘變低的影響。為了獲得高擊穿電壓，漂移區(qū)的摻雜濃度很低，因此勢壘形成并不求助于減小 PN 結(jié)之間的間距。調(diào)整肖特基間距獲得與 PiN 擊穿電壓接近的 JBS，但是 JBS 的高溫漏電流大于 PiN，這是來源于肖特基區(qū)。JBS 反向偏置時，PN 結(jié)形成的耗盡區(qū)將會向溝道區(qū)擴散和交疊，從而在溝道區(qū)形成一個勢壘，使耗盡層隨著反向偏壓的增加向襯底擴展。這個耗盡層將肖特基界面屏蔽于高場之外，避免了肖特基勢壘降低效應(yīng)，使反向漏電流密度大幅度減小。此時 JBS 類似于 PiN 管。反向漏電流的組成主要由兩部分：一是來自肖特基勢壘的注入；二是耗盡層產(chǎn)生電流和擴散電流。 [2]
二次擊穿
產(chǎn)生二次擊穿的原因主要是半導(dǎo)體材料的晶格缺陷和管內(nèi)結(jié)面不均勻等引起的。二次擊穿的產(chǎn)生過程是：半導(dǎo)體結(jié)面上一些薄弱點電流密度的增加，導(dǎo)致這些薄弱點上的溫度增加引起這些薄弱點上的電流密度越來越大，溫度也越來越高，如此惡性循環(huán)引起過熱點半導(dǎo)體材料的晶體熔化。此時在兩電極之間形成較低阻的電流通道，電流密度驟增，導(dǎo)致肖特基二極管還未達到擊穿電壓值就已經(jīng)損壞。因此二次擊穿是不可逆的，是破壞性的。流經(jīng)二極管的平均電流并未達到二次擊穿的擊穿電壓值，但是功率二極管還是會產(chǎn)生二次擊穿。 [2]
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