国际上,SiC材料的发展一直以来由美国Cree公司领跑,早在20世纪90年代,Cree公司就在美国国防部的支持下致力于研究开发碳化硅功率器件。SiC材料的发展决定于SiC单晶的发展,优质的SiC单晶衬底是制备优良器件的前提。Cree公司通过20年的研究,不断提高单晶质量,解决微孔问题。同时还不断的增大衬底尺寸。目前为止已经能生产质量优异的6英寸SiC单晶衬底。由SiC单晶衬底同质外延生长的SiC薄膜其热膨胀适配以及晶格适配都很小,从而降低了薄膜的内应力以提高最终器件的质量。24461
1987年Shiahara[14]等人首先通过化学气相沉积法研制出第一支6H-SiC二极管,其击穿电压约为600V左右。20世纪初,L.G.MatIl等人同样通过CVD技术研制成耐高压1000V以耐高温600℃的PN结二极管。为了解决PN结自建电场大,导通压降高的缺点,人们采用肖特基二极管来替代PN结。1992年,美国北卡州立大学最先报道了全世界第一个研制成功的6H-SiC SBD二极管,阻断电压为400V。相继的美国Cree公司和德国西门子集团都已有600V,10A的SiC肖特基二极管商业化产品销售。随着技术的进一步发展,陆续有人研究出了阻断电压达到KV级别的肖特基二极管。其中,1995年瑞典KTH报道研制成高级穿6H-SiC二极管,击穿电压4.5KV,2003年美国Rutgers大学研制出阻断电压达到10.8KV,2008,日本东芝公司也报道了研制成接近4H-SiC的极限水平的SBD,获得了超低的导通电阻和高达2.7KV的阻断电压。论文网
在高压下SiC的肖特基势垒变薄,进一步提高SBD二极管的阻断电压受到了隧穿势垒反向漏电的限制,因此相比于普通的SBD二极管,在大于3KV以上的整流器件领域,SiC PiN二极管具有更大的优势。除了具有更高的阻断电压外,PiN二极管还具备更快的开关速度和更轻的质量以及更小的体积。为此美国RPI公司实现了在40um厚的SiC外延层上制备4500V的SiC PiN二极管。2000年日本以及美国的Cree公司分别研制成12KV和19.5KV台面性SiC PiN二极管。
不过由于在高频率下工作,PiN二极管反向恢复能耗较大。为此人们又把视线转移到更具有吸引力的JBS二极管。SiC JBS二极管在加正向偏压时,肖特基势垒起主导作用,优先进入导通状态;加反向偏压时,PN结耗尽区在高反偏压下迅速扩展,屏蔽了电场,保护了肖特基势垒。因此JBS同时具备了SBD和PiN的优点,不仅快关特性优良,同时也具有高的阻断能力。2007年Cree公司研制成了10KV/20ASiC JBS二极管。
国内方面,对宽禁带半导体的研究起步较晚。20世纪末才开始研究宽禁带半导体微波功率器件。在SiC材料的研究上,中国科学院硅酸盐所的研究起步较早。虽然落后于国际的发展,但通过几年的探索也有了一定的经验。随着“973”国家重大基础项目研究中对宽禁带半导体研究工作的启动,大量人力物力投入到科研中去,其中众多高校如北京大学,电子科技大学,山东大学,西安电子科技大学,浙江大学等开始着眼于材料和器件的理论和模拟研究。各大研究所则致力于材料与器件的制备,包括中电13所,46所,55所,中科院半导体所,微电子所还有纳米研究所等。
西安电子科技大学对于SiC材料的研究比较出色,发表了许多相关论文,同时还获得过国家科技进步二等奖。电子科技大学在器件的结构设计上首先提出了新理论:宽禁带半导体器件优值理论和宽禁带半导体功率双极型晶体管特性理论,被众多知名学者认可。同时其他高校及研究所都取得了不错的成绩。但是在创新性方面,我国还做的不够,同时核心技术也有欠缺。目前高质量的单晶衬底还是通过向外国公司(Cree)购买,自主研发制备的SiC单晶质量和衬底大小与国际水平还有一定差距
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