碳化硅技术基本原理 生长、表征、器件和应用PDF电子书下载

第1章 导论 1

1.1电子学的进展 1

1.2碳化硅的特性和简史 3

1.2.1早期历史 3

1.2.2 SiC晶体生长的革新 4

1.2.3 SiC功率器件的前景和展示 5

1.3本书提纲 6

参考文献 7

第2章 碳化硅的物理性质 10

2.1晶体结构 10

2.2电学和光学性质 14

2.2.1能带结构 14

2.2.2光吸收系数和折射率 17

2.2.3杂质掺杂和载流子浓度 19

2.2.4迁移率 22

2.2.5漂移速率 25

2.2.6击穿电场强度 26

2.3热学和机械特性 29

2.3.1热导率 29

2.3.2声子 29

2.3.3硬度和机械性能 30

2.4总结 30

参考文献 31

第3章 碳化硅晶体生长 36

3.1升华法生长 36

3.1.1 Si—C相图 36

3.1.2升华（物理气相输运）法过程中的基本现象 36

3.1.3建模与仿真 40

3.2升华法生长中多型体控制 43

3.3升华法生长中缺陷的演化及减少 46

3.3.1堆垛层错 46

3.3.2微管缺陷 47

3.3.3贯穿螺型位错 49

3.3.4贯穿刃型位错及基矢面位错 50

3.3.5减少缺陷 53

3.4升华法生长中的掺杂控制 54

3.4.1杂质掺杂 54

3.4.2 n型掺杂 56

3.4.3 p型掺杂 57

3.4.4半绝缘型 57

3.5高温化学气相沉积 59

3.6溶液法生长 61

3.7化学气相淀积法生长3C-SiC晶圆 62

3.8切片及抛光 63

3.9总结 64

参考文献 65

第4章 碳化硅外延生长 70

4.1 SiC同质外延的基本原理 70

4.1.1 SiC外延的多型体复制 70

4.1.2 SiC同质外延的理论模型 73

4.1.3生长速率及建模 78

4.1.4表面形貌及台阶动力学 81

4.1.5 SiC外延的反应室设计 83

4.2 SiC CVD生长中的掺杂控制 85

4.2.1背景掺杂 85

4.2.2 n型掺杂 86

4.2.3 p型掺杂 86

4.3 SiC外延层中的缺陷 87

4.3.1扩展缺陷 87

4.3.2深能级缺陷 95

4.4 SiC快速同质外延 97

4.5 SiC在非标准平面上的同质外延 99

4.5.1 SiC在近正轴0001 面上的同质外延 99

4.5.2 SiC在非基矢面上的同质外延 101

4.5.3 SiC嵌入式同质外延 102

4.6其他SiC同质外延技术 103

4.7 3 C-SiC异质外延 104

4.7.1 3C-SiC在Si上的异质外延生长 104

4.7.2 3C-SiC在六方SiC上的异质外延生长 105

4.8总结 106

参考文献 107

第5章 碳化硅的缺陷及表征技术 117

5.1表征技术 117

5.1.1光致发光 117

5.1.2拉曼散射 125

5.1.3霍尔效应及电容-电压测试 127

5.1.4载流子寿命测量 128

5.1.5扩展缺陷的检测 133

5.1.6点缺陷的检测 140

5.2 SiC的扩展缺陷 145

5.2.1 SiC主要的扩展缺陷 145

5.2.2双极退化 145

5.2.3扩展缺陷对SiC器件性能的影响 150

5.3 SiC中的点缺陷 154

5.3.1 SiC中的主要深能级缺陷 154

5.3.2载流子寿命“杀手” 162

5.4总结 167

参考文献 168

第6章 碳化硅器件工艺 176

6.1离子注入 176

6.1.1选择性掺杂技术 177

6.1.2 n型区的离子注入 178

6.1.3 p型区的离子注入 182

6.1.4半绝缘区域的离子注入 186

6.1.5高温退火和表面粗糙化 187

6.1.6离子注入及后续退火过程中的缺陷形成 189

6.2刻蚀 194

6.2.1反应性离子刻蚀 194

6.2.2高温气体刻蚀 197

6.2.3湿法腐蚀 198

6.3氧化及氧化硅/SiC界面特性 199

6.3.1氧化速率 199

6.3.2氧化硅的介电性能 200

6.3.3热氧化氧化硅的结构和物理特性 204

6.3.4电学表征技术及其局限性 206

6.3.5氧化硅/SiC界面特性及其改进方法 220

6.3.6不同晶面上的氧化硅/SiC界面特性 227

6.3.7迁移率限制因素 229

6.4金属化 234

6.4.1 n型和p型SiC的肖特基接触 235

6.4.2 n型和p型SiC的欧姆接触 241

6.5总结 247

参考文献 248

第7章 单极型和双极型功率二极管 262

7.1 SiC功率开关器件简介 262

7.1.1阻断电压 262

7.1.2单极型功率器件优值系数 264

7.1.3双极型功率器件优值系数 265

7.2肖特基势垒二极管（SBD） 267

7.3 pn与pin结型二极管 271

7.3.1大注入与双极扩散方程 273

7.3.2 “ i”区中的载流子浓度 274

7.3.3 “i”区的电势下降 276

7.3.4电流-电压关系 278

7.4结势垒肖特基（JBS）二极管与混合pin肖特基（MPS）二极管 280

参考文献 284

第8章 单极型功率开关器件 286

8.1结型场效应晶体管（JFET） 286

8.1.1夹断电压 287

8.1.2电流-电压关系 287

8.1.3饱和漏极电压 289

8.1.4比通态电阻 290

8.1.5增强型和耗尽型工作模式 293

8.1.6功率JFET器件的实现 296

8.2金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET） 297

8.2.1 MOS静电学回顾 297

8.2.2分裂准费米能级的MOS静电学 300

8.2.3 MOSFET电流-电压关系 301

8.2.4饱和漏极电压 303

8.2.5比通态电阻 304

8.2.6功率MOSFET的实施：DMOSFET和UMOSFET 304

8.2.7 DMOSFET的先进设计 307

8.2.8 UMOS的先进设计 309

8.2.9阈值电压控制 311

8.2.10反型层电子迁移率 314

8.2.11氧化层可靠性 325

8.2.12 MOSFET瞬态响应 327

参考文献 334

第9章 双极型功率开关器件 336

9.1双极结型晶体管（BJT） 336

9.1.1内部电流 337

9.1.2增益参数 338

9.1.3端电流 340

9.1.4电流-电压关系 341

9.1.5集电区中的大电流效应：饱和和准饱和 343

9.1.6基区中的大电流效应：Rittner效应 347

9.1.7集电区的大电流效应：二次击穿和基区扩散效应 351

9.1.8共发射极电流增益：温度特性 353

9.1.9共发射极电流增益：复合效应 353

9.1.10阻断电压 355

9.2绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 356

9.2.1电流-电压关系 357

9.2.2阻断电压 367

9.2.3开关特性 368

9.2.4器件参数的温度特性 373

9.3晶闸管 375

9.3.1正向导通模式 377

9.3.2正向阻断模式和触发 381

9.3.3开通过程 386

9.3.4 d V/dt触发 388

9.3.5 dI/dt的限制 389

9.3.6关断过程 390

9.3.7反向阻断模式 397

参考文献 397

第10章 功率器件的优化和比较 398

10.1 SiC功率器件的阻断电压和边缘终端 398

10.1.1碰撞电离和雪崩击穿 398

10.1.2二维电场集中和结的曲率 404

10.1.3沟槽边缘终端 406

10.1.4斜面边缘终端 406

10.1.5结终端扩展（JTE） 408

10.1.6浮空场环（FFR）终端 409

10.1.7多浮空区（MFZ） JTE和空间调制（SM） JTE 412

10.2单极型器件漂移区的优化设计 415

10.2.1垂直漂移区 415

10.2.2横向漂移区 418

10.3器件性能比较 420

参考文献 424

第11章 碳化硅器件在电力系统中的应用 425

11.1电力电子系统的介绍 425

11.2基本的功率变换电路 426

11.2.1工频相控整流器和逆变器 426

11.2.2开关模式直流-直流变换器 429

11.2.3开关模式逆变器 433

11.3电动机驱动的电力电子学 438

11.3.1电动机和电动机驱动的简介 438

11.3.2直流电动机驱动 438

11.3.3感应电动机驱动 441

11.3.4同步电动机驱动 445

11.3.5混合动力和纯电动汽车的电动机驱动 447

11.4电力电子学与可再生能源 450

11.4.1光伏电源逆变器 450

11.4.2风力机电源的变换器 451

11.5开关模式电源的电力电子学 453

11.6碳化硅和硅功率器件的性能比较 458

参考文献 464

第12章 专用碳化硅器件及应用 466

12.1微波器件 466

12.1.1金属-半导体场效应晶体管（MESFET） 466

12.1.2静态感应晶体管（SIT） 469

12.1.3碰撞电离雪崩渡越时间（IMPATT）二极管 474

12.2高温集成电路 475

12.3传感器 477

12.3.1微机电传感器 478

12.3.2气体探测器 479

12.3.3光探测器 481

参考文献 487

附录 490

附录A 4H-SiC中的不完全杂质电离 490

参考文献 494

附录B双曲函数的性质 494

附录C常见SiC多型体主要物理性质 497

C.1性质 497

C.2主要物理性质的温度和/或掺杂特性 498

参考文献 499