碳化硅材料的结构和性质
宽禁带半导体材料(Wide Band Gap Semiconductor，简称 WBGS)是一种继代硅、锗和第二代砷化镓、磷化铟等材料以后发展起来的新型的第三代半导体材料。碳化硅（SiC）是第三代半导体材料的杰出代9）表。目前，碳化硅材料技术已经非常成熟，高质量的 4 英寸晶圆已经实现商品化，6 英寸晶圆也已经推出。另一种第三代半导体材料氮化镓材料，由于难以制备氮化镓衬底，其外延材料只能在其他材料上实现异质外延，其热导率只有碳化硅的四分之一，因此不适合制作高压大功率器件。碳化硅材料的优异特性使其特别适合在电力电子领域的应用。
SiC 材料的禁带宽度将近是硅的 3 倍，击穿电场是硅材料的 8 倍，大地提高了 SiC 器件的耐压容量和电流密度。要达到相同的击穿电压，SiC 器件所需的耐压层厚度为 Si 器件的 1/10，其导通电阻只有硅器件的 1/100～1/200，大地降低了 SiC 器件的导通损耗。大的禁带宽度使 SiC 器件可以在 250℃～600℃的工作温度下保持良好的器件特性。SiC 的热导率是硅的三倍，达 4.9W/cm•℃。优良的导热性能，可以大大提高电路的集成度，减少冷却散热系统，使系统的体积和重量大大降低，并在高温条件下长时间稳定工作。由于功率密度大，器件的面积小、工作层薄，电容和储存电荷少，可以实现高的开关速度而且开关能耗小，因此高功率 SiC 器件可以工作在较高的频率下。与硅元件构成的电源模块相比，SiC 电源模块的开关功耗约为原来的 1/4，总功耗降低 1/2。而在相同的功耗的情况下，开关频率是原来的 4 倍。碳化硅具有多种异形晶体，其中 4H-SiC 晶体具有禁带宽度大、临界场强高、热导率高、载流子饱和速率高等特性，适合电力电子器件应用。碳化硅电力电子系统因而非常适合高功率、高频功率、高温和抗辐照的应用。基于碳化硅电力电子器件的电网系统在效率、可靠性、体积和重量方面的性能会有大幅度提高，尤其是在恶劣的环境中。另外，SiC 具有更高的临界移位能（45～90eV），这使得 SiC 具有高抗电磁波冲击和高抗辐射破坏的能力，据报道 SiC 器件的抗中子辐照的能力至少是硅器件的四倍。这些性质使 SiC 器件能够工作在端环境下，在航天航空、高温辐射环境可望发挥重要作用。
碳化硅材料结构
SiC 晶体结构属于那种同质多型体，也就是说即使化学计量是相同的情况，却有着不一样的晶体结构，而不同的多型体的结构是由不同排列次序的 Si-C 原子对的位置决定的。通常情况下，Si-C 的原子对会在原来存在的 Si-C 原子对上面进行堆垛，并且堆垛的时候密度较大，在相对应的 A， B， C 所处的位置，将会形成具有不同周期的 SiC 多型体结构，主要有三种结构，即闪锌矿结构，纤维锌矿结构和菱形结构。用大写字母分别可以用 C、H、R 来表示。我们一般把纤维锌矿结构和菱形结构相关的多型体用 α-SiC 来表示，而闪锌矿结构的SiC 单晶材料可以用 β-SiC 来表示。SiC 材料中，为常见以及研究的多的结构有三种，即 3C- SiC(β-SiC )，4H- SiC，6H-SiC(α-SiC )，它们的原子排列分别如图 2-1 所示。
碳化硅材料性质
在常温条件下，SiC 是具有高稳定性的半导体材料，而在温度升高到 2100℃左右以上时，将会升华，被分解为 Si 与 C 蒸汽；当温度继续升高，达到 2830℃左右时，SiC 材料会出现转熔点，经研究发现，当 SiC 器件工作在低于 1500℃时的条件下，其具有很高的稳定性，实际应用过程中为了防止 SiC 进一步氧化，大多数情况会在其表面形成较薄的一层 SiO2 层，SiO2 在高温下 1700℃会熔化并且迅速发生氧化，SiC 材料能熔于熔融的氧化物质，如熔融的 Na2O2，Na2CO3-KNO3的混合物；而且在 300℃温度下，SiC 材料可以熔于氢氧化钾和氢氧化钠的混合物，在 900 到 1200℃下，SiC 会与氯气迅速的发生化合反应，还可以有四氯化碳快速反应，可留下石墨等残留杂质，通过研究得出主要可以利用熔化状态下的氧化物或者氟来对 SiC 的表面进行蚀刻。
碳化硅器件关键工艺研究
碳化硅（SiC）器件具有击穿电压高、功率大、耐高温工作、可靠性高、损耗低等特点，是高压电力电子领域的热门研究器件，适合于电力系统应用，可制备采用硅器件无法制备的装置。
由于 SiC 材料具有耐腐蚀、高硬度和易碎性等特点，使得其加工工艺比普通的 Si 和 Ga As 等半导体材料要困难得多，因此 SiC 器件和 Si 器件、Ga As 器件工艺设计和方法差别很大，需要解决的关键工艺技术主要包括：高温高能离子注入技术、刻蚀成型技术、欧姆接触技术和表面氧化技术等。
欧姆接触
金属与半导体形成欧姆接触是指在接触处是一个纯电阻，而且该电阻越小越好。因此，其 I/V 特性是线性关系，斜率越大接触电阻越小，接触电阻的大小直接影响器件的性能指标。
碳化硅欧姆接触技术是制备碳化硅高压功率器件的基本技术，是实现器件电结构的必须工艺之一。碳化硅欧姆接触在高温环境中提前发生性能衰退会导致碳化硅器件的寿命会大大减小。采用镍钨合金、镍钛合金以及钛钨合金覆盖在碳化硅上等技术形成欧姆技术，可以在一定程度上增强碳化硅欧姆接触的高温稳定性。但是需要进行系统性的研究，才能找到更加有效的方法对碳化硅欧姆接触的高温退化现象进行抑制，从而增强碳化硅电力电子器件的高温稳定性。碳化硅功率器件的欧姆接触目前主要采用镍基金属形成。镍基碳化硅欧姆接触的接触电阻率通常可达到 1×10-5 Ω•cm2 以下，可以满足绝大多数碳化硅功率器件的应用需要。但是镍基欧姆接触的高温稳定性欠佳，近年来国际上采用镍钨合金或镍钛合金等用于碳化硅欧姆接触的形成，可以增强碳化硅欧姆接触的高温稳定性，从而增强碳化硅功率器件的高温稳定性。
碳化硅刻蚀工艺
刻蚀碳化硅的主要困难在于碳化硅材料具有很高的机械硬度和化学稳定性。实际工艺证明，以往在 Si 器件中积累了丰富经验的且一直沿用至今的用酸碱溶液等进行的湿法刻蚀已经完全不能应用于 SiC 器件的制造工艺之中。因此各种干法刻蚀方法得到了广泛的关注和研究，其中反应离子刻蚀（ReactiveIonEtching，RIE）是一种很重要的刻蚀方法，但与硅相比，碳化硅的 RIE 刻蚀速率明显偏慢，SiC 的 RIE 刻蚀速率只有 30nm/min，而硅则达到 200nm/min，一般认为刻蚀效果与刻蚀气体组成、刻蚀功率腔体压强等条件有关。目前，以感应耦合等离子体（InductivelyCoupledPlasma，ICP）为代表的各种新型高密度等离子体刻蚀技术由于具有高等离子体密度、刻蚀速率快、损伤小等特点逐渐被应用于SiC 的干法刻蚀工艺，并初步取得了较好的刻蚀效果。刻蚀气体一般采用氟基气体，如 SF6、CF4或这两者和氧气的混合气体。但是氟基气体刻蚀 SiC的主要缺点在于刻蚀损伤较大，且不易消除，因此刻蚀速率相对较慢但刻蚀损伤较小的氯基气体开始受到了人们的重视，是 SiC 干法刻蚀工艺一个重要的研究方向。
离子注入和注入激活技术
离子注入作为一种重要的掺杂技术己广泛应用于半导体器件及超大规模集成电路的制造工艺中。对于 SiC 来说，用热扩散法来实现选择性区域掺杂是不现实的，因为在小于 1800℃的温度下（在该温度下，可以保材料表面的完整性），杂质在 SiC 中的扩散系数很小。这样离子注入就成为可用于对 SiC 进行选择性区域掺杂的技术。由于 SiC 的密度比 Si 大，要产生相同的注入深度，SiC需要更高的注入能量。高的杂质激活率、光滑的表面以及较少的缺陷是离子注入追求的目标，达到这个目标的一个关键工艺就是高温退火。刚刚注入完后，杂质是电惰性的，出现了晶格缺陷，导致了注入层的高电阻率。也就是为了在离子注入后达到高的杂质电激活率及晶格缺陷的完全恢复，退火作为关键的第二步把杂质放到晶格点上同时修复晶格缺陷。
表面钝化技术
为了实现高压 SiC 二极管大功率器件，需要使用高品质的介质薄膜来满足器件的高压低阻特性，介质膜界面态密度一般要小于 1012/cm2e V。由于碳化硅能够通过氧化获得氧化硅介质膜，不过氧化温度大于 1300 度以上，界面会引入很高的界面态密度，因此选择合适的高温氧化技术就十分必要，也成当前研究的热点之一。表面钝化技术是 SiC 半导体器件制造中的一项重要工艺，通过热氧化可以直接在 SiC 表面生长二氧化硅（SiO2），制成 SiC 器件。一般来讲，栅氧化层（SiO2）质量的好坏对器件特性几乎具有决定作用，因此对 SiC 的热氧化正艺方法进行深入研究，具有十分现实的意义。
