深度了解SiC的晶體結(jié)構(gòu)

SiC是由硅（Si）和碳（C）按1:1的化學(xué)計(jì)量比組成的晶體，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)堆積順序的不同，形成不同的SiC多型體，本篇章帶你了解SiC的晶體結(jié)構(gòu)及其可能存在的晶體缺陷。

半導(dǎo)體SiC是由硅（Si）和碳（C）按1:1的化學(xué)計(jì)量比組成的晶體，屬于化合物半導(dǎo)體的一種。硅和碳都是IV族元素，每個(gè)原子都有4個(gè)共價(jià)鍵，硅和碳以四面體交替配位結(jié)合形成晶體。

一對(duì)Si原子和C原子組成基本結(jié)構(gòu)單元，這些結(jié)構(gòu)單元以最緊密堆積起來(lái)組成SiC晶體。SiC存在許多具有不同堆積順序的穩(wěn)定晶體（晶體多型現(xiàn)象）。圖1顯示了由Si原子和C原子組成的基本結(jié)構(gòu)單元平鋪成平面，并以最緊密的方式堆積的情況。當(dāng)在每個(gè)平面結(jié)構(gòu)上堆積其他平面結(jié)構(gòu)時(shí)，有兩種可能的堆積順序（可在A平面上的B點(diǎn)或C點(diǎn)堆積）。SiC存在多種可能的堆積順序，因此存在具有不同堆積結(jié)構(gòu)的晶體。并且堆積順序的不同導(dǎo)致的能量差異相對(duì)較小。

圖1：平面排列的Si-C基本結(jié)構(gòu)單元，以及在其上堆積結(jié)構(gòu)單元時(shí)的位置

代表性的SiC晶體多型有3C型、4H型和6H型等。這里的數(shù)字表示沿著堆積方向一周期內(nèi)的碳硅雙原子層數(shù)，C代表立方晶系（cubic），H代表六方晶系（hexagonal）。SiC晶體制造過(guò)程中，由于溫度等條件的不同，決定所形成的多型體。4H型SiC的堆積順序如圖2所示，表1總結(jié)了各種多型體的堆積順序。

圖2：4H型SiC的堆積順序

表1：SiC各種多型體的堆積順序

SiC具有間接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，并且不同多型體具有不同的禁帶寬度。例如，以4H型SiC為例，其禁帶寬度為3.26eV，是Si的大約3倍。順便說(shuō)一下，可見光的能量范圍是1.7eV～3.3eV，高純度的4H型SiC晶體對(duì)可見光是透明的。為什么用于器件制造的SiC晶體會(huì)呈現(xiàn)出黃色或綠色？高濃度n型摻雜SiC晶體在導(dǎo)帶中存在大量載流子（電子），由于能帶結(jié)構(gòu)的原因，它們會(huì)吸收特定能量的可見光。

半導(dǎo)體的禁帶寬度通常會(huì)隨著原子間距的減小而增大。例如，SiC的禁帶寬度大于Si（1.1eV），小于C（金剛石）（5.5eV）。此外，GaN的原子間距離（0.192nm）和SiC的原子間距離（0.189nm）相近，因此兩者的禁帶寬度也接近（GaN為3.4eV）。禁帶寬度大意味著電子激發(fā)從價(jià)帶到導(dǎo)帶所需的能量大，換言之，導(dǎo)致功率器件發(fā)生耐壓擊穿的電場(chǎng)更大。因此，與功率器件的主流材料Si相比，SiC具有耐高壓的特性，是功率器件的理想選擇。表2列出了SiC的各種多型體的禁帶寬度。

表2：SiC不同多型體的禁帶寬度

在現(xiàn)存的穩(wěn)定多型體中，用于電力轉(zhuǎn)換的功率器件通常采用4H型SiC，其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大、各向異性小。目前市場(chǎng)上用于功率器件的SiC襯底幾乎全部采用n型導(dǎo)電的4H型結(jié)構(gòu)，在偏離（0001）面4°制造器件。

在SiC晶體內(nèi)部，有時(shí)會(huì)存在局部Si-C層的堆積順序發(fā)生晶體缺陷（堆垛層錯(cuò)）。當(dāng)堆積順序改變時(shí)，導(dǎo)帶和價(jià)帶的能級(jí)也會(huì)發(fā)生變化。例如，在4H型SiC中，如果部分區(qū)域出現(xiàn)其他堆積順序，該區(qū)域的禁帶寬度將小于周圍區(qū)域，從而形成矩形勢(shì)阱（圖3）。當(dāng)雙極性電流通過(guò)時(shí)，載流子（電子、空穴）會(huì)被捕獲，從而影響SiC器件的導(dǎo)電性（例如增加導(dǎo)通電阻等）。在制造器件時(shí)，必須考慮到這一點(diǎn)。三菱電機(jī)通過(guò)各種測(cè)試和獨(dú)特的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題。

圖3：SiC的能帶結(jié)構(gòu)（左）、引入堆垛層錯(cuò)后的能帶結(jié)構(gòu)（右）

正文完

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