【導讀】SiC是由硅（Si）和碳（C）按1:1的化學計量比組成的晶體，因其內部結構堆積順序的不同，形成不同的SiC多型體，本篇章帶你了解SiC的晶體結構及其可能存在的晶體缺陷。
SiC是由硅（Si）和碳（C）按1:1的化學計量比組成的晶體，因其內部結構堆積順序的不同，形成不同的SiC多型體，本篇章帶你了解SiC的晶體結構及其可能存在的晶體缺陷。
半導體SiC是由硅（Si）和碳（C）按1:1的化學計量比組成的晶體，屬于化合物半導體的一種。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合形成晶體。
一對Si原子和C原子組成基本結構單元，這些結構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定晶體（晶體多型現象）。圖1顯示了由Si原子和C原子組成的基本結構單元平鋪成平面，并以最緊密的方式堆積的情況。當在每個平面結構上堆積其他平面結構時，有兩種可能的堆積順序（可在A平面上的B點或C點堆積）。SiC存在多種可能的堆積順序，因此存在具有不同堆積結構的晶體。并且堆積順序的不同導致的能量差異相對較小。
圖1：平面排列的Si-C基本結構單元，以及在其上堆積結構單元時的位置
代表性的SiC晶體多型有3C型、4H型和6H型等。這里的數字表示沿著堆積方向一周期內的碳硅雙原子層數，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構，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晶體會呈現出黃色或綠色？高濃度n型摻雜SiC晶體在導帶中存在大量載流子（電子），由于能帶結構的原因，它們會吸收特定能量的可見光。
半導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從價帶到導帶所需的能量大，換言之，導致功率器件發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
在現存的穩定多型體中，用于電力轉換的功率器件通常采用4H型SiC，其擊穿電場強度大、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型導電的4H型結構，在偏離（0001）面4°制造器件。
在SiC晶體內部，有時會存在局部Si-C層的堆積順序發生晶體缺陷（堆垛層錯）。當堆積順序改變時，導帶和價帶的能級也會發生變化。例如，在4H型SiC中，如果部分區域出現其他堆積順序，該區域的禁帶寬度將小于周圍區域，從而形成矩形勢阱（圖3）。當雙極性電流通過時，載流子（電子、空穴）會被捕獲，從而影響SiC器件的導電性（例如增加導通電阻等）。在制造器件時，必須考慮到這一點。三菱電機通過各種測試和獨特的器件結構設計來應對這一問題。
圖3：SiC的能帶結構（左）、引入堆垛層錯后的能帶結構（右）
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文章來源：三菱電機半導體
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