【導(dǎo)讀】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。
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，每個原子都有4個共價鍵，硅和碳以四面體交替配位結(jié)合形成晶體。
一對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)在每個平面結(jié)構(gòu)上堆積其他平面結(jié)構(gòu)時，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晶體對可見光是透明的。為什么用于器件制造的SiC晶體會呈現(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，它們會吸收特定能量的可見光。
半導(dǎo)體的禁帶寬度通常會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，其擊穿電場強(qiáng)度大、各向異性小。目前市場上用于功率器件的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，有時會存在局部Si-C層的堆積順序發(fā)生晶體缺陷（堆垛層錯）。當(dāng)堆積順序改變時，導(dǎo)帶和價帶的能級也會發(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，從而形成矩形勢阱（圖3）。當(dāng)雙極性電流通過時，載流子（電子、空穴）會被捕獲，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，必須考慮到這一點(diǎn)。三菱電機(jī)通過各種測試和獨(dú)特的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來應(yīng)對這一問題。
圖3：SiC的能帶結(jié)構(gòu)（左）、引入堆垛層錯后的能帶結(jié)構(gòu)（右）
關(guān)于三菱電機(jī)
三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。截止2024年3月31日的財年，集團(tuán)營收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機(jī)從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有68年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
文章來源：三菱電機(jī)半導(dǎo)體
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