【導讀】SiC作為半導體功率器件材料，具有許多優(yōu)異的特性。4H-SiC與Si、GaN的物理特性對比見表1。與Si相比，4H-SiC擁有10倍的擊穿電場強度，可實現(xiàn)高耐壓。與另一種寬禁帶半導體GaN相比，物理特性相似，但在p型器件導通控制和熱氧化工藝形成柵極氧化膜方面存在較大差異，4H-SiC在多用途功率MOS晶體管的制備方面具有優(yōu)勢。此外，由于GaN是直接躍遷型半導體，少數(shù)載流子壽命較短，因此通過電導調(diào)制效應來實現(xiàn)低導通電阻器件的效果并不理想。
與Si材料相比，SiC半導體材料在物理特性上優(yōu)勢明顯，比如擊穿電場強度高、耐高溫、熱傳導性好等，使其適合于制造高耐壓、低損耗功率器件。本篇章帶你詳細了解SiC材料的物理特性。
SiC作為半導體功率器件材料，具有許多優(yōu)異的特性。4H-SiC與Si、GaN的物理特性對比見表1。與Si相比，4H-SiC擁有10倍的擊穿電場強度，可實現(xiàn)高耐壓。與另一種寬禁帶半導體GaN相比，物理特性相似，但在p型器件導通控制和熱氧化工藝形成柵極氧化膜方面存在較大差異，4H-SiC在多用途功率MOS晶體管的制備方面具有優(yōu)勢。此外，由于GaN是直接躍遷型半導體，少數(shù)載流子壽命較短，因此通過電導調(diào)制效應來實現(xiàn)低導通電阻器件的效果并不理想。
表1：SiC和Si、GaN的物理特性對比
比較功率器件不同材料的性能時，通常使用性能指數(shù)BFOM（Baliga’s Figure of merit）。BFOM與理想單極型器件的電阻成反比，可通過以下公式計算。
由于BFOM與擊穿電場強度的三次方成正比，而SiC的數(shù)值是Si的10倍，這有利于實現(xiàn)低電阻單極器件。根據(jù)表中數(shù)值，與Si相比，SiC單極性器件的電阻有可能降低至Si的1/667。此外，電阻與器件擊穿電壓的平方成正比，因此對于高耐壓（額定電壓），單極性器件的電阻會急劇增加。所以，使用Si材料來實現(xiàn)千伏級耐壓的單極性器件并不現(xiàn)實，因為電阻過大，但可以通過使用SiC來實現(xiàn)。SiC器件的主要目標就在中高壓領域，三菱電機率先使用SiC實現(xiàn)了千伏級單極性器件，為包括鐵路牽引系統(tǒng)在內(nèi)的許多電力電子系統(tǒng)帶來了革新。
關于SiC物理特性的各向異性，在制造器件時需要考慮幾個問題。4H-SiC的擊穿電場強度在（0001）方向（襯底厚度方向）的值比其他方向大。對于體電子遷移率，（0001）方向也比其他方向大。另一方面，比較采用SiC各晶面制造的MOS結構的溝道遷移率，（0001）面的值較小，而垂直于（0001）面的值較大，這意味著，與在（0001）面制造的平面柵MOS相比，溝槽柵MOS的溝道電阻更低。
存在于SiC MOS界面的載流子捕獲，它是SiC MOSFET特性不穩(wěn)定和經(jīng)時變化的原因，目前改善措施正在進行中。三菱電機已開發(fā)出一種可提高穩(wěn)定性的MOS界面形成方法，實現(xiàn)了MOS特性的穩(wěn)定性。
熱氧化膜的生長速度也因晶面的不同而存在很大差異，例如，（000-1）面的氧化速度約為（0001）面的10倍。在器件制造過程中，需考慮到氧化速度的各向異性，并根據(jù)結構對制造工藝做出相應的處理。
寬禁帶半導體通常難以實現(xiàn)兩種導電方式，要么p型導電，要么n型導電。盡管SiC是一種寬禁帶半導體，但它是少數(shù)幾種可制造出p型和n型高載流子濃度的材料之一。通常，用于n型半導體導電性控制的摻雜是V族元素的氮、磷，而用于p型半導體導電性控制的摻雜是III族元素的鋁、硼。關于硼，由于受主能級較深，無法獲得低電阻p型半導體，因此常用在保持器件耐壓的終端區(qū)域。此外，與Si等材料相比，由于SiC的晶體結構較為復雜，摻雜原子取代的位置不同會導致形成的能級不同。在推導載流子遷移率、估算電阻值的溫度依賴性等方面，嚴格來說需要考慮這一點，但在估算器件特性時，使用平均值并沒有問題。
SiC作為功率器件材料的另一個優(yōu)點是其熱導率高（約為Si的3倍）。這一優(yōu)勢得益于SiC原子間距短、鍵合力強，有助于降低器件工作時的最高溫度。此外，即使在高達800℃的溫度下，SiC仍能保持其半導體特性。目前，除SiC外的其他材料，使用溫度的上限受到限制，仍在繼續(xù)開發(fā)中。
另外，在將SiC應用于功率芯片時，需考慮SiC材料的特性，其楊氏模量較大（約為Si的3倍），是一種非常硬的材料，因此受溫度循環(huán)等因素產(chǎn)生的應力可能會非常大，這可能成為決定器件壽命的主要因素。
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