第3讲：SiC的晶体结构

SiC是由硅（Si）和碳（C）按1:1的化学计量比组成的晶体，因其内部结构堆积顺序的不同，形成不同的SiC多型体，本篇章带你了解SiC的晶体结构及其可能存在的晶体缺陷。

半导体SiC是由硅（Si）和碳（C）按1:1的化学计量比组成的晶体，属于化合物半导体的一种。硅和碳都是IV族元素，每个原子都有4个共价键，硅和碳以四面体交替配位结合形成晶体。

一对Si原子和C原子组成基本结构单元，这些结构单元以最紧密堆积起来组成SiC晶体。SiC存在许多具有不同堆积顺序的稳定晶体（晶体多型现象）。图1显示了由Si原子和C原子组成的基本结构单元平铺成平面，并以最紧密的方式堆积的情况。当在每个平面结构上堆积其他平面结构时，有两种可能的堆积顺序（可在A平面上的B点或C点堆积）。SiC存在多种可能的堆积顺序，因此存在具有不同堆积结构的晶体。并且堆积顺序的不同导致的能量差异相对较小。

图1：平面排列的Si-C基本结构单元，以及在其上堆积结构单元时的位置

代表性的SiC晶体多型有3C型、4H型和6H型等。这里的数字表示沿着堆积方向一周期内的碳硅双原子层数，C代表立方晶系（cubic），H代表六方晶系（hexagonal）。SiC晶体制造过程中，由于温度等条件的不同，决定所形成的多型体。4H型SiC的堆积顺序如图2所示，表1总结了各种多型体的堆积顺序。

图2：4H型SiC的堆积顺序


表1：SiC各种多型体的堆积顺序

SiC具有间接跃迁型能带结构，并且不同多型体具有不同的禁带宽度。例如，以4H型SiC为例，其禁带宽度为3.26eV，是Si的大约3倍。顺便说一下，可见光的能量范围是1.7eV～3.3eV，高纯度的4H型SiC晶体对可见光是透明的。为什么用于器件制造的SiC晶体会呈现出黄色或绿色？高浓度n型掺杂SiC晶体在导带中存在大量载流子（电子），由于能带结构的原因，它们会吸收特定能量的可见光。

半导体的禁带宽度通常会随着原子间距的减小而增大。例如，SiC的禁带宽度大于Si（1.1eV），小于C（金刚石）（5.5eV）。此外，GaN的原子间距离（0.192nm）和SiC的原子间距离（0.189nm）相近，因此两者的禁带宽度也接近（GaN为3.4eV）。禁带宽度大意味着电子激发从价带到导带所需的能量大，换言之，导致功率器件发生耐压击穿的电场更大。因此，与功率器件的主流材料Si相比，SiC具有耐高压的特性，是功率器件的理想选择。表2列出了SiC的各种多型体的禁带宽度。

表2：SiC不同多型体的禁带宽度

在现存的稳定多型体中，用于电力转换的功率器件通常采用4H型SiC，其击穿电场强度大、各向异性小。目前市场上用于功率器件的SiC衬底几乎全部采用n型导电的4H型结构，在偏离（0001）面4°制造器件。

在SiC晶体内部，有时会存在局部Si-C层的堆积顺序发生晶体缺陷（堆垛层错）。当堆积顺序改变时，导带和价带的能级也会发生变化。例如，在4H型SiC中，如果部分区域出现其他堆积顺序，该区域的禁带宽度将小于周围区域，从而形成矩形势阱（图3）。当双极性电流通过时，载流子（电子、空穴）会被捕获，从而影响SiC器件的导电性（例如增加导通电阻等）。在制造器件时，必须考虑到这一点。三菱电机通过各种测试和独特的器件结构设计来应对这一问题。

图3：SiC的能带结构（左）、引入堆垛层错后的能带结构（右）

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三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。截止2024年3月31日的财年，集团营收52579亿日元（约合美元348亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有68年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。