1 引 言 借助于微電子技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，以硅器件為基礎(chǔ)的電力電子技術(shù)因大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（功率MOS）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等新型電力電子器件的全面應(yīng)用而臻于成熟。目前，這些器件的開(kāi)關(guān)性能已隨其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的相當(dāng)完善而接近其由材料特性決定的理論極限，依靠硅器件繼續(xù)完善和提高電力電子裝置與系統(tǒng)性能的潛力已十分有限。于是，依靠新材料滿足新一代電力電子裝置與系統(tǒng)對(duì)器件性能的更高要求，早在世紀(jì)交替之前就在電力電子學(xué)界與技術(shù)界形成共識(shí)，對(duì)碳化硅電力電子器件的研究與開(kāi)發(fā)也隨之形成熱點(diǎn)。 作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅不但擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好，還具有載流子飽和漂移速度高、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，可以用來(lái)制造各種耐高溫的高頻大功率器件，應(yīng)用于硅器件難以勝任的場(chǎng)合，或在一般應(yīng)用中產(chǎn)生硅器件難以產(chǎn)生的效果。使用寬禁帶材料可以提高器件的工作溫度。6H- SiC 和 4H-SiC的禁帶寬度分別高達(dá)3.0 eV 和 3.25 eV，相應(yīng)的本征溫度可高達(dá)800 °C以上；即就是禁帶最窄的3C-SiC，其禁帶寬度也在2.3eV左右。因此，用碳化硅做成的器件，其最高工作溫度有可能超過(guò)600°C。功率開(kāi)關(guān)器件的反向電壓承受力與其漂移區(qū)（單極器件）或基區(qū)（雙極器件）的長(zhǎng)度和電阻率有關(guān)，而單極功率開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)比電阻又直接決定于漂移區(qū)的長(zhǎng)度和電阻率，因而與其制造材料擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的立方成反比。使用擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高的材料制作高壓功率開(kāi)關(guān)，其電阻率不必選擇太高，器件的漂移區(qū)或基區(qū)也不必太長(zhǎng)。這樣，不但其通態(tài)比電阻會(huì)大大降低，工作頻率也會(huì)大大提高。碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的8倍，其電子飽和漂移速度也是硅的2倍，更有利于提高器件的工作頻率，因而碳化硅單極功率開(kāi)關(guān)不單是通態(tài)比電阻很低，其工作頻率一般也要比硅器件高10倍以上。熱導(dǎo)率高則使碳化硅器件可以在高溫下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。此外，碳化硅還是目前唯一可以用熱氧化法生成高品質(zhì)本體氧化物的化合物半導(dǎo)體。這使其也可以象硅一樣用來(lái)制造MOSFET和IGBT這樣的含有MOS結(jié)構(gòu)的器件。除了電力電子技術(shù)，碳化硅的主要應(yīng)用領(lǐng)域還包括高頻電子學(xué)、高溫電子學(xué)、以及傳感器技術(shù)等。因此，包含微波電源在內(nèi)的電力電子技術(shù)有可能從碳化硅材料的實(shí)用化得到的好處，就不僅僅是使用碳化硅功率開(kāi)關(guān)器件對(duì)整機(jī)性能的改善，也包括材料的耐高溫能力和化學(xué)穩(wěn)定性通過(guò)集成信號(hào)采集與處理系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)對(duì)整機(jī)性能的改善，從而可以在惡劣環(huán)境中保持良好工作狀態(tài)。 隨著直徑30mm左右的碳化硅片在1990年前后上市，以及高品質(zhì)6H-SiC和4H-SiC 外延層生長(zhǎng)技術(shù)緊隨其后的成功應(yīng)用，各種碳化硅功率器件的研究和開(kāi)發(fā)即蓬勃開(kāi)展起來(lái)。目前，各種功率器件都已證實(shí)可改用碳化硅來(lái)制造。盡管產(chǎn)量、成本、以及可靠性等問(wèn)題仍對(duì)其商品化有所限制，但碳化硅器件替代硅器件的過(guò)程已經(jīng)開(kāi)始。美國(guó)的Cree公司和德國(guó)的Infineon公司（西門(mén)子集團(tuán)）都已有耐壓600V、電流10A或12A以下的碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管系列產(chǎn)品出售，一支4A器件目前售價(jià)僅4美圓。碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管投入市場(chǎng)，一下子將肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用范圍從250V（砷化鎵器件）提高到600V。同時(shí)，其高溫特性特好，從室溫到由管殼限定的175℃，反向漏電流幾乎沒(méi)有什么增加。若采用適當(dāng)?shù)墓軞?，這種新器件的工作溫度可超過(guò)300℃。目前，許多公司已在其IGBT變頻或逆變裝置中用這種器件取代硅快恢復(fù)二極管，取得提高工作頻率、大幅度降低開(kāi)關(guān)損耗的明顯效果，其總體效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)碳化硅器件與硅器件的價(jià)差。要不了多少年，電力電子裝置和系統(tǒng)的性能就會(huì)因?yàn)樘蓟杵骷膹V泛應(yīng)用而得到極大改善。 下面，就幾種主要的碳化硅電力電子器件，從器件、材料和制造工藝的當(dāng)前水平到存在的主要問(wèn)題作一評(píng)述。 2 碳化硅電力電子器件 就應(yīng)用要求而言，電力電子器件除了要盡可能降低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗而外，還要有盡可能高的承受浪涌電流（電流在數(shù)十毫秒的瞬間數(shù)倍于穩(wěn)態(tài)值）的能力。 由于浪涌電流會(huì)引起器件結(jié)溫的驟然升高，通態(tài)比電阻偏高的器件，其浪涌電流承受力注定非常低。由于單極功率器件的通態(tài)比電阻隨其阻斷電壓的提高而迅速增大，硅功率MOS只在電壓等級(jí)不超過(guò)100V時(shí)才具有較好的性能價(jià)格比。盡管硅 IGBT 在這方面有很大改進(jìn)，但其開(kāi)關(guān)速度比功率MOS低，不能滿足高頻應(yīng)用的需要。 理論分析表明，用6H-SiC和4H-SiC制造功率MOS，其通態(tài)比電阻可以比同等級(jí)的硅功率MOS分別低100倍和2000倍。這就是說(shuō)，如果用碳化硅制造單極器件，在阻斷電壓高達(dá)10 000 V的情況下，其通態(tài)壓降還會(huì)比硅的雙極器件低。而單極器件在工作頻率等方面要優(yōu)于雙極器件，因而對(duì)碳化硅電力電子器件的研究開(kāi)發(fā)比較集中于肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET，并取得較大進(jìn)展；但雙極晶體管和晶閘管之類(lèi)的雙極器件，特別是PIN二極管也相當(dāng)受重視，進(jìn)展也很快。 2.1 碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管（SBD） 許多金屬，例如鎳（Ni）金 （Au）、鉑 （Pt）、鈀（Pd）、鈦 （Ti）、鈷 （Co） 等，都可與碳化硅形成肖特基勢(shì)壘接觸，其勢(shì)壘高度一般在1eV以上。據(jù)報(bào)道，Au/4H-SiC接觸的勢(shì)壘高度可達(dá)1.73 eV ，Ti/4H-SiC接觸的高度也有1.1 eV。6H-SiC的肖特基勢(shì)壘高度變化范圍較寬，最低只有0.5 eV，最高可達(dá)1.7 eV。 美國(guó)北卡州立大學(xué)功率半導(dǎo)體研究中心（PSRC）于1992年最先報(bào)道了全世界首次研制成功的6H-SiC肖特基勢(shì)壘二極管，其阻斷電壓為400V。在他們1994年的報(bào)道中，阻斷電壓提高到1000V，接近其理論設(shè)計(jì)值。隨后，對(duì)碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管的研發(fā)活動(dòng)擴(kuò)展到歐洲和亞洲，使用材料擴(kuò)大到4H-SiC，阻斷電壓也有很大提高。 由于高電壓下碳化硅的肖特基勢(shì)壘比硅薄，進(jìn)一步提高碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管的阻斷電壓就會(huì)受到隧穿勢(shì)壘的反向漏電流的限制。計(jì)算表明，對(duì)一個(gè)高度為1eV 的典型碳化硅肖特基勢(shì)壘，與碳化硅臨界擊穿電場(chǎng)3MVcm-1相對(duì)應(yīng)的最高擊穿電壓下的勢(shì)壘寬度只有3 nm 左右。這正好是發(fā)生電子隧穿的典型寬度。為了充分發(fā)揮碳化硅臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，可采用如圖1所示的pn結(jié)肖特基勢(shì)壘復(fù)合結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱(chēng)JBS或MPS）來(lái)排除隧穿電流對(duì)實(shí)現(xiàn)最高阻斷電壓的限制。這種結(jié)構(gòu)原本是對(duì)硅器件提出來(lái)的。由于pn結(jié)的勢(shì)壘高度與半導(dǎo)體的禁帶寬度有關(guān)，而肖特基勢(shì)壘高度只決定于金屬與半導(dǎo)體的功函數(shù)差，因而這兩種勢(shì)壘的高度之差對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)可以很大。這樣，當(dāng)JBS器件正偏置時(shí)，肖特基勢(shì)壘區(qū)可因勢(shì)壘低而首先進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，成為器件的主導(dǎo)，而pn結(jié)則因開(kāi)啟電壓較高而基本不起作用；但在反偏狀態(tài)，pn結(jié)正好可以發(fā)揮其高勢(shì)壘的作用，在高反壓下以迅速擴(kuò)展的耗盡區(qū)為肖特基勢(shì)壘屏蔽強(qiáng)電場(chǎng)，從而使反向漏電流大幅度下降。JBS與單純肖特基勢(shì)壘二極管一樣，仍然是一種多數(shù)載流子器件，其反向恢復(fù)時(shí)間可降低到幾個(gè)納秒，只有硅快速二極管和碳化硅高壓pn結(jié)二極管的十分之一。 JBS目前的困難在于p型碳化硅的歐姆接觸較難形成，因?yàn)橛秒x子注入法對(duì)碳化硅進(jìn)行p型摻雜需要很高的退火溫度，在碳化硅中很難形成p+區(qū)。采用Baliga提出的凹槽肖特基勢(shì)壘二極管 （TSBS） 結(jié)構(gòu)可以獲得與JBS類(lèi)似的效果，卻可避免p型摻雜。在碳化硅外延層的表面和表層凹槽的表面分別用功函數(shù)不同的兩種金屬形成高低不同的肖特基勢(shì)壘。低勢(shì)壘接觸在表面，高勢(shì)壘接觸在凹槽表面，后者為前者起削弱反向電場(chǎng)的作用。實(shí)驗(yàn)表明，如果這兩種接觸的勢(shì)壘高度以及臺(tái)面寬度和凹槽深度搭配得當(dāng)，器件的反向漏電流可以大大降低。 目前，對(duì)大功率碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管的研究開(kāi)發(fā)已達(dá)到小面積（直徑0.5 mm以下）器件的反向阻斷電壓超過(guò)4000 V，大面積（直徑超過(guò)1 mm）器件也能達(dá)到1000 V左右的水平。例如，在2001年中已有140A/800V 4H-SiC JBS的報(bào)導(dǎo)。在同年的另一報(bào)導(dǎo)中，反向電壓高達(dá)1200V的4H-SiC肖特基勢(shì)壘二極管已做到直徑3mm，其正向電流密度高達(dá)300 Acm-2，而相應(yīng)的正向壓降只有2V。 2.2 碳化硅場(chǎng)效應(yīng)器件 碳化硅功率MOSFET在結(jié)構(gòu)上與硅功率MOSFET沒(méi)有太大區(qū)別，一般也都采用DMOS或UMOS結(jié)構(gòu)。但是，由于碳化硅的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度較高，UMOS凹槽彎角處的氧化層電場(chǎng)往往很高，超過(guò)氧化層所能承受的范圍，導(dǎo)致破壞性失效。同時(shí)，由于SiC-SiO2界面比Si-SiO2界面電荷密度高，一般在7×1011～5×1012 cm-2×eV-1范圍，受SiC-SiO2界面的影響，碳化硅DMOS或UMOS的溝道電子等效遷移率低到只有1～7 cm2/V.s，使溝道電阻遠(yuǎn)大于漂移區(qū)電阻，成為決定器件通態(tài)比電阻大小的主要成分。研究發(fā)現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題不解決，碳化硅MOSFET的通態(tài)比電阻甚至比硅MOSFET還高。為此，Baliga提出了一種被稱(chēng)作ACCUFET的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。這里，字母ACCU取自accumulation。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是用p+ 隱埋層在柵氧化層下的n- 表面產(chǎn)生一極薄的耗盡區(qū)。隱埋的深度和n-區(qū)雜質(zhì)濃度要選擇得能使氧化層與隱埋層之間的n- 區(qū)完全被p+n- 結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)耗盡，從而構(gòu)成一個(gè)常閉型場(chǎng)效應(yīng)器件。用正柵壓將n- 耗盡區(qū)轉(zhuǎn)換成電子累積區(qū)，器件即被開(kāi)通。這種結(jié)構(gòu)通過(guò)p+n- 結(jié)對(duì)柵氧化物下半導(dǎo)體層的屏蔽，有效地將氧化物中的電場(chǎng)強(qiáng)度限制在1 MVcm-2左右的安全范圍內(nèi)。加上柵氧化層采用淀積而非熱生長(zhǎng)的方式形成，明顯地降低了器件的通態(tài)比電阻。采用這種結(jié)構(gòu)，2000年已有用4H-SiC實(shí)現(xiàn)阻斷電壓2000V以上，最高可達(dá)7000V的報(bào)導(dǎo)，其通態(tài)比電阻要比硅ACCUFET 低250倍。 碳化硅MESFET和JFET是另一類(lèi)非常有特色和潛在應(yīng)用價(jià)值的場(chǎng)效應(yīng)器件。由于這一類(lèi)器件沒(méi)有SiC-SiO2界面，其溝道載流子的等效遷移率較高，對(duì) 6H-SiC和4H-SiC都能達(dá)到300 cm2/（V×s），因而將碳化硅MESFET作為微波器件來(lái)開(kāi)發(fā)。早期的理論計(jì)算表明，碳化硅MESFET的微波功率產(chǎn)生能力有可能達(dá)到10 GHz、65 W （ 4W/mm ）。近幾年的研發(fā)實(shí)踐證明這一目標(biāo)完全可以實(shí)現(xiàn)。 隱埋柵JFET因?yàn)闆](méi)有對(duì)使用溫度有較大限制的肖特基接觸，其工作溫度較高，可作為耐高溫大功率器件使用。2000年, 4H-SiC JFET 的研發(fā)水平達(dá)到1800 V，這是一個(gè)1.5 A縱向?qū)щ娖骷?，其芯片面積 2.3 mm2，通態(tài)比電阻 24.5 mWcm2。該器件靠隱埋柵和p+n- 結(jié)自建電場(chǎng)在漂移區(qū)產(chǎn)生的耗盡層形成常閉狀態(tài)。若同時(shí)在上下柵極上加正偏壓，使導(dǎo)電溝道展寬，則通態(tài)比電阻將隨之縮小。實(shí)驗(yàn)器件的芯片大小為1.9´1.9 mm2, 有源區(qū)面積2´10-2 cm2，n- 外延層雜質(zhì)濃度為7´1014 cm-3，厚度為75 mm。該器件的阻斷電壓高達(dá)5.5 kV，柵壓加到2.6 V時(shí)的通態(tài)比電阻只有218 mWcm2。 與JFET屬于同一種類(lèi)型的碳化硅靜電感應(yīng)晶體管（SIT）也是微波功率器件的主要研發(fā)對(duì)象，其主要用途是微波加熱。1998年已有頻率1.3 GHz，脈沖輸出功率400 W的報(bào)道。 2.3碳化硅功率雙極器件 用碳化硅可以制造阻斷電壓很高的雙極器件，譬如高壓pin二極管和晶閘管等。按理論計(jì)算，設(shè)計(jì)一個(gè)反向阻斷電壓為25 kV的碳化硅pin二極管，其n- 區(qū)雜質(zhì)濃度只須低到5´1013 cm-3，厚度只要0.2 mm，少子壽命只須20ms。如果用硅做一個(gè)同樣的器件，則其n- 區(qū)的雜質(zhì)濃度須低到1012 cm-3，厚度至少2 mm，少子壽命還須高達(dá)400ms。顯然，用硅來(lái)做耐壓這樣高的器件是不可能的，而對(duì)碳化硅則不難。 碳化硅pn結(jié)二極管通常用液相外延法或氣相外延法制成p+n-n結(jié)構(gòu)，分平面型和臺(tái)面型。習(xí)慣上，人們也將其稱(chēng)為pin二極管。目前常見(jiàn)報(bào)道的碳化硅pin二極管使用的材料是6H-SiC和4H-SiC，也有使用硅襯底上的異質(zhì)外延3C-SiC的，但反向電壓承受能力最高的還是用6H-SiC和4H-SiC制造的器件。高壓碳化硅pin二極管也要采用終端保護(hù)，但一切適合于高壓硅器件的終端技術(shù)原則上也都對(duì)碳化硅適用。目前，接近20 kV的碳化硅pin二極管已見(jiàn)報(bào)道。日本的Sugawara 研究室采用JTE（Junction Termination Extension）終端技術(shù)，用4H-SiC做出了12 kV和19 kV的臺(tái)面型pin二極管，這兩種器件的n- 區(qū)雜質(zhì)濃度分別為2´1014cm-3和8´1013 cm-3，厚度分別為0.12 mm和0.2 mm。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已比較接近上述的理論預(yù)期值，表明實(shí)用碳化硅二極管的阻斷電壓主要受輕摻雜厚外延技術(shù)的限制。 隨著硅功率MOS和IGBT的推廣應(yīng)用，硅大功率雙極晶體管（BJT）已逐漸淡出電力電子技術(shù)的應(yīng)用舞臺(tái)。但是碳化硅器件研發(fā)熱潮的掀起，也引起了一些研究者對(duì)開(kāi)發(fā)碳化硅BJT的興趣，因?yàn)锽JT畢竟不像MOSFET那樣會(huì)遇到氧化層品質(zhì)嚴(yán)重影響器件特性的問(wèn)題。碳化硅BJT的基本結(jié)構(gòu)。早期工作主要使用6H-SiC和3C-SiC材料，近幾年傾向于使用 4H-SiC。這主要是因?yàn)?C-SiC的襯底問(wèn)題還未能很好解決，而6H-SiC和4H-SiC的大尺寸晶體生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展很快，但6H-SiC的電子遷移率沒(méi)有4H-SiC的高。開(kāi)發(fā)碳化硅BJT的主要問(wèn)題是提高電流增益。早期6H-SiC BJT的電流增益只有10左右，這主要受基區(qū)載流子復(fù)合的限制。而縮短基區(qū)以適應(yīng)短壽命載流子輸運(yùn)要求的辦法，又會(huì)使基區(qū)橫向電阻增高。比較有希望的解決辦法是用寬禁帶材料做發(fā)射極，用行之有效的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)提高少數(shù)載流子的注入效率，并保持基區(qū)的低電阻。由于碳化硅原本就有多種禁帶寬度不同的同質(zhì)異晶型，異質(zhì)結(jié)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)不困難。例如可用液相外延法在3C-SiC上外延6H-SiC，或在6H-SiC上外延4H-SiC作寬禁帶發(fā)射極。2001年，阻斷電壓高達(dá)1800 V 的4H-SiC BJT的電流增益已可達(dá)到20。 與硅晶閘管類(lèi)似，若將圖6所示結(jié)構(gòu)中的n+集電區(qū)換成p+ 薄層，作成pnpn 結(jié)構(gòu)，即構(gòu)成碳化硅晶閘管。這種器件在兼顧開(kāi)關(guān)頻率、功率處置能力和高溫特性方面最能發(fā)揮碳化硅的材料特長(zhǎng)。與碳化硅功率MOS相比，對(duì)3000V以上的阻斷電壓，其通態(tài)電流密度可以高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而特別適合于交流開(kāi)關(guān)方面的應(yīng)用。對(duì)于直流開(kāi)關(guān)方面的應(yīng)用，則是碳化硅GTO（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管）之所長(zhǎng)。 第一個(gè)用6H-SiC制作晶閘管的報(bào)道發(fā)表于1994年。該項(xiàng)研究用n+ 型6H-SiC做襯底，用外延法生長(zhǎng)n型或p型長(zhǎng)基區(qū)。限于當(dāng)時(shí)的材料水平，具有6.5 mm 厚、摻雜濃度為2.7´1015 cm-3 的n型長(zhǎng)基區(qū)的器件只能承受98 V 正向阻斷電壓，而具有8 mm 厚、摻雜濃度為1.8´1016 cm-3 的p型長(zhǎng)基區(qū)的器件卻能承受600 V 正向阻斷電壓。第一個(gè)用4H-SiC制作晶閘管的報(bào)道發(fā)表于1995年, 其阻斷電壓也是600 V。由于當(dāng)前對(duì)阻斷電壓4500 V以上的GTO需求量很大，最近對(duì)碳化硅晶閘管的研發(fā)活動(dòng)開(kāi)始向GTO集中。2000年已有阻斷電壓高達(dá)3100 V，50℃下關(guān)斷增益仍高達(dá)41的4H-SiC GTO的報(bào)道。 關(guān)于碳化硅IGBT的研究和開(kāi)發(fā)工作起步較晚，2000年才首次有所報(bào)道。 3 碳化硅器件的材料與制造工藝 在半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，碳化硅材料與器件的研發(fā)起步較早但其前期進(jìn)展十分緩慢，其原因主要在于碳化硅晶體生長(zhǎng)技術(shù)的特殊性。這個(gè)問(wèn)題在1990年前后得到初步解決之后，馬上就出現(xiàn)了碳化硅器件蓬勃發(fā)展的局面，這在很大程度上得益于碳化硅器件工藝對(duì)硅器件工藝的極大兼容和借鑒。所以，一旦材料制備工藝臻于成熟，碳化硅器件和集成電路就會(huì)比其他化合物半導(dǎo)體的器件和集成電路發(fā)展更快。 3.1 碳化硅材料制備 由于碳化硅在常壓下難以生成熔體，加熱到2400°C 左右就會(huì)升華，因而難以象一般晶體那樣通過(guò)籽晶在熔體中的緩慢生長(zhǎng)來(lái)制備單晶，大多采用升華法讓籽晶直接在碳化硅蒸汽中生長(zhǎng)。其難度自然比鍺、硅、砷化鎵等常用半導(dǎo)體的制備困難得多，以至碳化硅晶體和晶片市場(chǎng)長(zhǎng)期由Cree公司獨(dú)家經(jīng)營(yíng)，直徑30mm左右的高密度缺陷晶片都曾賣(mài)到過(guò)每片1000美圓以上的高價(jià)。盡管目前歐洲、日本以及美國(guó)的其他公司（例如Sterling-ATMI 和Litton-Airtron）也能生產(chǎn)和出售碳化硅晶片，但世界范圍內(nèi)研究和生產(chǎn)碳化硅器件使用的4H-SiC和6H-SiC晶片仍主要由Cree公司提供。售價(jià)也仍然那樣高，只不過(guò)直徑增大到40-50mm，缺陷密度已大大降低。Cree 公司早在1999年的碳化硅及其相關(guān)材料國(guó)際會(huì)議（ICSCRM）上就展示了100mm大直徑4H-SiC和6H-SiC晶片樣品，并于當(dāng)年10月開(kāi)始出售直徑75mm的晶片，但迄今為止仍以出售50mm晶片為主。不過(guò)，其微管缺陷密度越來(lái)越低，現(xiàn)已降到100cm-2 以下，優(yōu)質(zhì)晶片的微管密度已達(dá)到不超過(guò)15cm-2的水平。從器件制造的角度，要求碳化硅晶體生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)一步改善能滿足生產(chǎn)直徑超過(guò)100mm、微管密度低于 0.5cm-2、位錯(cuò)密度低于 104 cm-2的優(yōu)質(zhì)晶錠的要求。 微管是一種肉眼都可以看得見(jiàn)的宏觀缺陷，其密度直接決定著碳化硅器件有效面積的大小。在碳化硅晶體生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展到能徹底消除微管缺陷之前，大圓片二極管和晶閘管之類(lèi)的大功率電力電子器件就難以用碳化硅來(lái)制造。不過(guò)，微管可能只是4H-SiC和6H-SiC這樣具有立方與六方混合結(jié)構(gòu)的晶體所特有的缺陷。純立方結(jié)構(gòu)的3C-SiC雖然迄今尚無(wú)晶錠問(wèn)世，但日本的Hoya公司已宣稱(chēng)可以生長(zhǎng)厚達(dá)2mm的6英寸無(wú)位錯(cuò)薄片，而且在這種晶片中未發(fā)現(xiàn)微管。如果微管確實(shí)只是一種與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)而與生長(zhǎng)工藝關(guān)系不大的本征缺陷，那么，開(kāi)發(fā)3C-SiC的晶體生長(zhǎng)技術(shù)對(duì)發(fā)展碳化硅電力電子器件以及整個(gè)電力電子技術(shù)的意義也就不言而喻了。 制造碳化硅電力電子器件目前仍主要采用4H-SiC或6H-SiC晶片為襯底，以高阻外延層作為反向電壓的阻斷層。因此，高阻厚外延技術(shù)成為碳化硅外延工藝的研發(fā)重點(diǎn)。碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在1500°C以上的高溫下進(jìn)行，由于有升華的問(wèn)題，溫度不能太高，一般不能超過(guò)1800°C，因而生長(zhǎng)速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產(chǎn)量較低。目前，碳化硅同質(zhì)外延一般還只能做到雜質(zhì)濃度低于 1015 cm-3、厚度不超過(guò)50mm的水平。 3.2 碳化硅器件工藝 雖然碳化硅器件工藝和設(shè)備都與硅器件有很強(qiáng)的兼容性，但也遠(yuǎn)不是可以原封不動(dòng)地照搬。與硅相比，碳化硅器件工藝的溫度一般要高得多。碳化硅晶片較小、易碎、透明、而且價(jià)格昂貴，大公司的生產(chǎn)線較難適應(yīng)，倒是一些大學(xué)實(shí)驗(yàn)室比較靈活，成為開(kāi)發(fā)碳化硅器件工藝的主力。 摻雜是最基本的器件工藝。由于一般雜質(zhì)在碳化硅中的擴(kuò)散系數(shù)跟在SiO2中一樣低，在適合于對(duì)碳化硅進(jìn)行有效雜質(zhì)擴(kuò)散的溫度下，SiO2已失去了對(duì)雜質(zhì)的掩蔽作用，而且碳化硅本身在這樣的高溫下也不穩(wěn)定，因此不宜采用擴(kuò)散摻雜，而主要靠離子注入和材料制備過(guò)程中的伴隨摻雜來(lái)滿足制造碳化硅器件的需要。 在碳化硅材料的氣相生長(zhǎng)過(guò)程中,n 型摻雜一般用電子級(jí)純度的氮做摻雜劑，p 型摻雜一般使用三甲基鋁。n 型離子注入的雜質(zhì)一般也是氮。氮離子注入對(duì)晶格的損傷比較容易用退火的方式消除。p 型離子注入的雜質(zhì)一般也是鋁。由于鋁原子比碳原子大得多，注入對(duì)晶格的損傷和雜質(zhì)處于未激活狀態(tài)的情況都比較嚴(yán)重，往往要在相當(dāng)高的襯底溫度下進(jìn)行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來(lái)了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問(wèn)題。殘留碳如果能形成石墨態(tài)碳膜，會(huì)對(duì)阻止表面繼續(xù)分解起一定作用。于是，尺寸與碳比較相當(dāng)?shù)呐鹨渤蔀槌Ｓ玫?p 型注入雜質(zhì)。目前，p 型離子注入的問(wèn)題還比較多，從雜質(zhì)選擇到退火溫度的一系列工藝參數(shù)都還需要優(yōu)化，而 p 型離子注入對(duì)提高功率MOS的溝道遷移率又十分重要。 柵氧化物與碳化硅之間的界面缺陷對(duì)功率MOS的溝道遷移率也有十分重要的影響，因而柵氧化物的生長(zhǎng)或淀積十分關(guān)鍵。除類(lèi)似于硅的熱氧化之外，碳化硅還可用燃燒法生長(zhǎng)柵氧化物，而且這種方法產(chǎn)生的界面態(tài)密度較低。用熱氧化法在NO中生長(zhǎng)柵氧化物也能降低界面態(tài)的密度。就同樣的柵氧化物生長(zhǎng)方法而言，6H-SiC比4H-SiC的溝道遷移率要高一些；而就體材料中的載流子遷移率而言，是4H-SiC比6H-SiC高。這說(shuō)明4H-SiC的氧化物界面缺陷問(wèn)題比較嚴(yán)重。 使用1400 °C高溫快速退火法， n 型和 p 型4H-SiC的歐姆接觸都可以做到單位面積接觸電阻低達(dá)10-5 Wcm2量級(jí)的水平，所用的電極材料分別是Ni 和 Al 。不過(guò)這種接觸在400 °C以上的熱穩(wěn)定性較差。對(duì) p 型4H-SiC采用Al/Ni/W/Au 復(fù)合電極 可以把熱穩(wěn)定性提高到600 °C 100 小時(shí)，不過(guò)其接觸比電阻高達(dá)10-3 Wcm2。采用 TaC和 AlSi 合金電極也可獲得類(lèi)似效果。6H-SiC比4H-SiC容易獲得低阻歐姆接觸，其接觸比電阻可低達(dá)10-6 Wcm2 。 在高壓硅器件中采用的多數(shù)終端技術(shù)和鈍化技術(shù)，比如場(chǎng)板、場(chǎng)環(huán)和結(jié)終端等也適用與碳化硅器件。除此而外，在結(jié)終端注入大劑量Ar或B，借損傷晶格形成高阻區(qū)，起類(lèi)似于硅功率器件中半絕緣多晶硅（SIPOS）的作用，也有明顯效果。若在 Ar、B 離子注入后再在600 °C退火，器件的反向特性還會(huì)進(jìn)一步改善. 用等離子體刻蝕法在半導(dǎo)體表面挖槽，在許多新型硅器件的研制中發(fā)揮了積極作用。這種方法對(duì)碳化硅功率器件的研制也是一種重要手段。但是，利用高能離子在碳化硅表面刻槽往往會(huì)在槽壁表面產(chǎn)生高密度缺陷。這些缺陷使載流子的表面散射加劇，是UMOS和具有類(lèi)似結(jié)構(gòu)的碳化硅器件溝道電子遷移率嚴(yán)重下降的主要原因。同時(shí)，槽壁粗糙還引起柵壓下降和柵極漏電流過(guò)大的問(wèn)題。 4 結(jié)束語(yǔ) 碳化硅材料的卓越性能和碳化硅器件初露的優(yōu)良特性及其更大的潛在優(yōu)勢(shì)激勵(lì)著人們對(duì)之抱有不減的熱情和希望，對(duì)碳化硅電力電子器件的研究與開(kāi)發(fā)因此而蓬勃開(kāi)展，逐漸深入，進(jìn)展越來(lái)越快。以碳化硅MOSFET為例，從1992年開(kāi)始研制這種器件起，在起初的三、四年間，其阻斷電壓基本上是每13個(gè)月翻一番，隨后則幾乎每半年就翻一番。當(dāng)然，對(duì)電力電子器件而言，碳化硅的材料優(yōu)勢(shì)并不僅僅在于提高器件的耐壓能力。碳化硅電力電子器件要真正進(jìn)入市場(chǎng)與硅器件競(jìng)爭(zhēng)，更重要的一面還在其能大幅度降低功率消耗的潛力。已上市的碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管和仍在實(shí)驗(yàn)室里的其他碳化硅功率器件都證實(shí)了這一點(diǎn)。這是碳化硅作為制造電力電子器件的一種新材料而使電力電子技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)更加充分發(fā)揮的切入點(diǎn)。碳化硅與硅在電力電子技術(shù)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的另一優(yōu)勢(shì)是能夠兼顧器件的功率和頻率，以及耐高溫。這些正好都是電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)器件提出的基本要求，而硅和砷化鎵在這些方面都有很大的局限性。 隨著碳化硅晶體生長(zhǎng)技術(shù)和器件制造技術(shù)的進(jìn)一步完善，今后幾年內(nèi)各種碳化硅電力電子器件都會(huì)在成品率、可靠性和價(jià)格獲得較大所改善，從而進(jìn)入全面推廣應(yīng)用的階段。這極有可能引發(fā)電力電子技術(shù)的一場(chǎng)新的革命。因此，碳化硅電力電子器件的誕生和開(kāi)發(fā)是電力電子技術(shù)在世紀(jì)之交的一次革命性進(jìn)展。