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碳化硅材料的结构和性质
宽禁带半导体材料(WideBandGapSemiconductor，简称WBGS)是一种继第一代硅、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，极大地提高了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/～1/，极大地降低了SiC器件的导通损耗。大的禁带宽度使SiC器件可以在℃～℃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，最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器件能够工作在极端环境下，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，最为常见以及研究的最多的结构有三种，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2℃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℃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℃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℃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℃温度下，SiC材料可以熔于氢氧化钾和氢氧化钠的混合物，在到1℃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，极其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GaAs等半导体材料要困难得多，因此SiC器件和Si器件、GaAs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，是实现器件电极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1×10-5Ω?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
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