SiC半导体材料的基本性质和应用

1　SiC半导体材料的基本性质

1.1 SiC的晶体结构

SiC具有优良的机械、热学、电学、物理和化学性质，是制备下一代电力电子和光电子器件的新型半导体材料之一。

SiC独特的性质与其结构密切相关，为此首先需要了解SiC的结构。

SiC有超过200多种多型结构，最普通的是立方3C，六角4H和6H，菱方15R。这些多型结构以Si-C双原子为结构的基本单元，采用不同的堆垛方式排列而成，如图1所示。

图1

从结构示意图可以看出：2H具有最简单的六角结构（纤锌矿结构），其堆垛顺序为AB；技术上最重要的材料4H、6H的堆垛顺序分别为ABCB和ABCACB；3C具有最简单的立方闪锌矿结构，其堆垛顺序为ABC；15R具有菱方结构，如果用六角晶系描述，其沿c向的堆垛顺序为ABCACBCABACABCB。

1.2　SiC半导体材料的基本性质

表1：SiC与其他半导体材料基本性质的比较

SiC相对于Si而言拥有更为优越的物理性质，具体如下：

（1）禁带宽度大，接近于Si的3倍。禁带宽度大，可以保证器件在高温工作下的长期可靠性。半导体器件在较高的温度下，会产生载流子的本征激发现象，造成器件失效。禁带宽度越大，器件的极限工作温度越高。Si器件的极限工作温度一般不能超过300℃，而SiC器件的极限工作温度可以达到600℃以上。

（2）临界击穿电场强度大，是Si的10倍。用SiC制备器件可以极大地提高耐压容量、工作频率和电流密度，并大大降低器件的导通损耗，使得SiC适用于制备高压、大功率器件，比如二极管、功率晶体管、功率闸流管。

（3）热导率高，超过Si的3倍。高热导率有助于SiC器件的散热，在同样的输出功率下保持更低的温度。与传统器件相比，SiC器件工作产生的热量可以很快地从衬底散发，而不需要额外的散热装置，实现设备的小型化，这对于航空航天、军用雷达等对设备质量有严格要求的应用领域来说非常重要。

（4）饱和电子漂移速率大，是Si的2倍。这决定了SiC器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。

因为这些特点，SiC器件的使用极限性能远远优于Si器件，可以满足高温、高频、大功率等苛刻条件下的应用需求。SiC半导体材料的高硬度和高化学稳定性也保证了SiC器件的稳定性。此外，SiC还是外延生长GaN的优质衬底材料，在GaN微波功率器件和半导体照明领域也占有重要地位。SiC作为半导体材料，有着重大的应用价值和广阔的应用前景，具有非常重要的研究意义。

1.3　SiC单晶材料的研究进展

如上所述，SiC单晶是宽带隙半导体材料的典型代表，是制备高温、高频、大功率电子器件的关键材料，同时又是制备绿、蓝、紫外光LED的理想衬底材料。第一支蓝光LED的成功制备，大大加快了SiC单晶商品化的进程。而SiC半导体器件技术的发展又得助于SiC衬底的商品化，特别是单晶直径的不断扩大，晶体质量日益提高。因此，材料与器件两者是相辅相成，互相促进的。

当前SiC器件的进展包括：

（1）以SiC为衬底的高亮和超高亮度蓝绿InGaN基LED，器件利用了6H-SiC导电特性。

（2）SiC肖特基势垒管（Schottkybarrier diode，SBD）已经商品化，器件的阻断电压和导电电流不断增加，从最初的300V/10A和600V/6A实际增加到600V/20A和1.2kV/50A，而且商品化的3.3kV SiC肖特基势垒管已经可用。因此，未来在600V～3kV的范围内，SiC肖特基SBD可最终取代Si的p-i-n功率整流管。

（3）SiC MOSFET已经商品化，其中Cree可提供1.2kV、33A的SiC MOSFET；Rohm则能供应35A、1.2kV、80mΩ包埋式的SiC MOSFET。

（4）p型沟道SiC IGBT，在温度200℃，VG=-20V时，开通阻抗为24mΩ·cm2。25℃下，p型沟道阻断电压为10.2kV，漏电流密度为1.0mA/cm2。

（5）在半绝缘SiC衬底上制备的GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管（HEMT）在2.9GHz下总的输出功率为800W，在3.5GHz下输出功率超过500W。

上述器件利用了SiC独特的电学和热物理性质，这些性质包括：高温下工作时材料的宽带隙；高功率输出时材料具有高临界击穿电场；高频工作时材料具有高饱和电子迁移率；高功率器件工作时材料具有高热导率。

2 SiC半导体器件及相关应用

2.1　SiC功率半导体器件及其应用

以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体大功率电力电子器件是目前在电力电子领域发展最快的功率半导体器件之一。SiC半导体材料以其优异的物理和化学特性决定了SiC基电力电子器件在高压、高温、高效率、高频率、抗辐射等应用领域具有极大的优势，极大地提高了现有能源的转换效率。不仅在直流、交流输电，不间断电源，开关电源，工业控制等传统工业领域广泛应用，而且在太阳能、风能等新能源领域也具有广阔的应用前景。

（1） SiC功率二极管

（a） SiC肖特基二极管（SBD）

（b） SiC 结势垒肖特基二极管（JBS）

（c） SiC p-i-n二极管（p-i-n）

（2） SiC功率晶体管

（a） SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）

（b） SiC结型场效应晶体管（JFET）

（c） SiC双极型晶体管（BJT）

（d） SiC绝缘栅双极晶体管（IGBT）

（e） SiC晶闸管

2.2 SiC高温传感器及其应用

传统的压力传感器以弹性元件的形迹指示压力，以机械结构的器件为主。随着半导体技术与MEMS技术的发展，压力传感器能够以体积小、质量小、准确度高、温度特性好占据主要地位。但是，随着使用范围的扩展，尤其是恶劣环境下（如高温、强辐射等条件），以Si材料为基础的压力传感器已不堪重任。Si材料本身的禁带宽度、化学性质、机械性能都不足以满足这些要求。

（1） SiC高温温度传感器

（2） SiC高温压力传感器

（3） SiC高温气敏传感器

2.3 SiC紫外光电探测器及其应用

SiC半导体材料优异的热学特性和抗辐照特性，使SiC成为制备紫外光电探测器的首选材料之一。尤其针对高温、强辐射、宇宙空间等特殊环境，常规的Si基器件显然无法适应，SiC半导体材料势在必行。

相比于同类结构的Si紫外光电探测器，SiC紫外光电探测器的优势也十分明显。首先，SiC为宽禁带半导体，3.26eV的禁带宽度对应于380nm的紫外光波长，对可见光及红外光自然屏蔽；而Si的禁带宽度仅为1.12eV，其光谱响应包含可见光区，使用前需要加上滤光片以减小或消除可见光或者红外线对探测结果的影响。其次，紫外光在Si中的透入深度很浅，受表面复合的影响，Si紫外光电探测器的量子效率较低。最后，SiC半导体材料的抗辐射能力明显强于Si材料，辅之以优异的热特性（热导率约为Si的3倍，且电学性质基本不受温度影响），使得SiC紫外光电探测器应对特殊环境的能力以及使用寿命都远远超出Si紫外光电探测器。

（1） SiC基于PN结的光电二极管

（2） SiC基于肖特基结的光电二极管

（3） SiC紫外光电探测器

来源：小小光08