SiC半导体材料的禁带宽度约是硅材料的3倍,临界击穿电场是硅材料的8倍,热导率是硅材料的3倍,使得SiC器件具有很高的耐压容量和电流密度 [5,6] 。在相同的击穿电压条件下,SiC器件的导通电阻只有Si器件的1/100~1/200,极大地降低了SiC器件的导通损耗。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。随着SiC单晶生长技术的不断进步,单晶直径已经达到6英寸,晶体缺陷密度不断下降。
单晶生长技术的进步促进了SiC功率器件的研制,各种器件不断投放市场。目前市场可用的以SiC半导体材料为衬底的器件包括:AlGaN/GaN/SiC HEMT器件,肖特基势垒二极管(schottky barrier diode,SBD),金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET) [7] 等。而且从近年SiC市场井喷式发展可以预见,未来SiC单晶及相关器件在半导体市场上将占有重要的地位。
SiC半导体材料有超过170多种多型结构,最常见的有立方3C-SiC、六角4H-SiC和6H-SiC、菱方15R-SiC。这些多型结构以Si-C双原子为结构单元,由不同的堆垛方式排列而成。堆垛顺序的改变对SiC的电学性质有重要影响。SiC半导体材料具有不同的导电类型,为了满足制造不同器件的要求,需要生长半绝缘、n型和p型SiC单晶。基于SiC和GaN的高功率、高频器件需要使用半绝缘SiC衬底材料以达到低介电损耗和低器件寄生响应。n型4H-SiC常被用来制备功率器件,其电阻率是材料的重要特性,器件要求衬底的电阻率小于10mΩ·cm。p型SiC单晶衬底一般用于制备功率器件,如绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)。
特别是随着4H-SiC衬底尺寸不断扩大、晶体质量不断提高,外延生长设备及外延生长技术得到快速发展,适用于10kV级功率器件的4英寸100微米级外延材料和6英寸4H-SiC外延材料质量得到快速提升。4H-SiC功率器件材料包含了单极型和双极型功率器件,随着外延层中基晶面位错密度得到控制,有望实现新一代4H-SiC高压双极型功率器件的商业化。SiC功率器件替代Si器件可使功耗至少降低33.6%,在峰值功率下工作效率大于96%。因此,SiC功率器件可以使电力电子系统的功率、温度、频率和抗辐射能力倍增,效率、可靠性、体积和质量方面的性能也会大幅度改善。