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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，導致了價格較高，這影響了它的應用。直到 1955 年，生長高品質碳化硅的方法出現(xiàn)促進了 SiC 材料的發(fā)展，在航天、航空、雷達和核能開發(fā)的領域得到應用。1987 年，商業(yè)化生產(chǎn)的 SiC 進入市場，并應用于石油地熱的勘探、變頻空調(diào)的開發(fā)、平板電視的應用以及太陽能變換的領域。

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；大的熱導率，熱導率是 Si 的 3.3 倍和 GaAs 的10 倍，熱導率大，器件的導熱性能就好，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構，結構中每個原子都被四個異種原子包圍，雖然 Si-C 原子結合為共價鍵，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 材料的電熱學品質全面優(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用潛力，它可以在電力電子技術領域打破硅的極限，成為下一代電力電子器件。 [1] 

碳化硅器件的出現(xiàn)大大的改善了半導體器件的性能，滿足國民經(jīng)濟和國防建設的需要，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，開關速度很快，重量很輕，并且體積很小，它在 3KV以上的整流器應用領域更加具有優(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，它在功率器件領域很有應用前景。目前國際上報道的幾種結構：UMOS、VDMOS、LDMOS、UMOS ACCUFET，以及 SIAFET 等。2008 年報道的雙 RESURF 結構LDMOS，具有 1550 V 阻斷電壓. [1] 

SBD 在導通過程中沒有額外載流子的注入和儲存，因而反向恢復電流小，關斷過程很快，開關損耗小。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注的對象。它是高壓快速與低功率損耗、耐高溫相結合的理想器件。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），沒有反向恢復電流。隨著碳化硅單晶、外延質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，用多級結終端擴展技術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終端擴展技術來保護肖特基結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器件設計和制造的隊伍。電子科技大學致力于器件結構設計方面，在新結構、器件結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體器件優(yōu)值理論和寬禁帶半導體功率雙極型晶體管特性理論。 [1] 

34H-SiC 結勢壘肖特基二極管

功率二極管是功率半導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勢壘控制肖特基二極管的電學特性及其工作原理，為后兩章對 4H-SiC JBS 器件電學特性的仿真研究奠定了理論基礎。 [2] 

肖特基二極管

肖特基二極管是通過金屬與N型半導體之間形成的接觸勢壘具有整流特性而制成的一種屬-半導體器件。肖特基二極管的基本結構是重摻雜的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-半導體器件和PiN結二極管類似，由于兩者費米能級不同，金屬與半導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] 

金屬與半導體的功函數(shù)不同，電荷越過金屬/半導體界面遷移，產(chǎn)生界面電場，半導體表面的能帶發(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 型半導體接觸，且 N 型半導體的功函數(shù)小于金屬的功函數(shù)；另一種是金屬與 P 型半導體接觸，且 P 型半導體的功函數(shù)大于金屬的功函數(shù)。

金屬與 N 型 4H-SiC 半導體體內(nèi)含有大量的導電載流子。金屬與 4H-SiC 半導體材料的接觸僅有原子大小的數(shù)量級間距時，4H-SiC 半導體的費米能級大于金屬的費米能級。此時 N 型 4H-SiC 半導體內(nèi)部的電子濃度大于金屬內(nèi)部的電子濃度，兩者接觸后，導電載流子會從 N 型 4H-SiC 半導體遷移到金屬內(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 半導體一側，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] 

金屬與半導體接觸時，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 半導體導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 半導體導帶中的載流子電子以量子力學隧穿效應進入金屬；

3、空間電荷區(qū)中空穴和電子的復合；

4、4H-SiC 半導體與金屬由于空穴注入效應導致的的中性區(qū)復合。

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 半導體導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 半導體導帶中的載流子由隧穿效應進入到金屬的幾率變大。一種是4H-SiC 半導體的摻雜濃度非常大時，肖特基勢壘變得很低，N 型 4H-SiC 半導體的載流子能量和半導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 半導體導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，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體材料的晶格缺陷和管內(nèi)結面不均勻等引起的。二次擊穿的產(chǎn)生過程是：半導體結面上一些薄弱點電流密度的增加，導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]