碳化硅（SiC）是一種優(yōu)異的第三代半導(dǎo)體材料。其中，3C-SiC（立方相碳化硅）相對于其他SiC晶型（如4H-SiC和6H-SiC）具有一些優(yōu)點(diǎn)^[1]，如與硅技術(shù)集成性好、較低的晶格失配、較高的載流子遷移率、成本相對較低，在以下領(lǐng)域有獨(dú)特的用途，如低功耗、低頻率的功率器件，如低壓功率開關(guān)、低功耗傳感器等；具有集成電路需求的應(yīng)用，包括模擬集成電路、RF集成電路等；對成本要求較高、且需要SiC材料特性的應(yīng)用，比如電力電子、光電子器件等。

一個較低的p-n內(nèi)置電位（1.75 V）使3C-SiC成為中壓雙極或電荷平衡器件的一個有吸引力的選擇。直到最近，大多數(shù)3C-SiC都是在Si上生長的，因此，功率器件的制造受到了高缺陷密度和有限的加工溫度等問題的阻礙，而器件必然局限于橫向結(jié)構(gòu)。Li等^[2]人提出了一個制造和表征的垂直管元二極管使用體積3C-SiC材料。在Al植入?yún)^(qū)獲得p型歐姆接觸，其特定接觸電阻為103 X cm2。所制作的PiN二極管在1000 A/cm2時具有較低的正向壓降2.7 V，在63 V時的開關(guān)比高達(dá)109。理想因子為1.83-1.99，采用單區(qū)結(jié)終止設(shè)計觀察到阻塞電壓為110 V。

PIN二極管的制備流程起始于Al摻雜步驟，此步驟會形成高摻雜的p+陽極區(qū)域和低摻雜的單區(qū)結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)域（SZ-JTE）。摻雜完成后，離子注入過程需在Ar氣氛中、1700℃條件下進(jìn)行2小時退火處理。隨后，經(jīng)過氧化、光刻、沉積等工藝步驟，在n+襯底上蒸發(fā)沉積Ti/Ni(30/100nm)雙層合金，并在Ar氣氛中、1000℃條件下退火1分鐘，形成歐姆接觸的陰極（RTP：1000℃@1min，Ar）。對于p+區(qū)域，需要沉積Ti/Al/Ni(30/100/50nm)金屬堆疊，并在Ar氣氛中、1100℃條件下進(jìn)行快速熱處理2分鐘，以形成歐姆接觸的陽極（RTP：1100℃@2min，Ar）。最終，器件的橫截面圖呈現(xiàn)出圓形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 3C-SiC PiN二極管的橫截面示意圖

在p型注入?yún)^(qū)域，我們制備了傳輸線方法（TLM）結(jié)構(gòu)，并測試了其室溫I-V特性，如圖2所示。從結(jié)果中觀察到歐姆行為，且最低的特定接觸電阻達(dá)到10^4 X cm^2，這在近期報道的p型3C-SiC中屬于較低水平。這一優(yōu)異的接觸電阻主要得益于生長條件、拋光方法的優(yōu)化以及快速熱處理（RTP）技術(shù)的卓越性能和精確工藝控制。

圖2 .p型歐姆接觸TLM的室溫I-V表征和總電阻的擬合

此外，PiN肖特基二極管在室溫下展現(xiàn)出典型的正向J-V特性，如圖3a。盡管其內(nèi)建電勢略高于理論值，但仍低于典型的4H-SiC PiN二極管，顯示出卓越的性能，有助于降低功耗和提高效率。在2.7V的正向偏壓下，電流密度超過1000A/cm2，證明了其出色的導(dǎo)電能力和承受高功率應(yīng)用的能力。然而，高電流密度下器件的自發(fā)熱現(xiàn)象仍是一個挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步研究以優(yōu)化。此外，在±3V時的開關(guān)比大于109，如圖3b所示，顯示出良好的開關(guān)特性，適用于高速開關(guān)應(yīng)用。

圖3 室溫下二極管典型的(a)0-5V正向J-V特性、(b) ±3 V開關(guān)性能以及

(c)二極管在300-500K下對數(shù)尺度下的正向J-V特性

在高溫（300-500K）條件下，正向電流密度增加，內(nèi)建電位降低，這是由于本征載流子數(shù)量的增加。如圖3(c)所示，在較低電流密度下，正向J-V曲線呈現(xiàn)平行趨勢，表明溫度對兩電阻差的影響較小。這一行為在4H-SiC PiN二極管中已有報道，是載流子壽命增加和遷移率及擴(kuò)散系數(shù)下降相互補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果。隨著溫度升高，低電壓泄漏電流密度增加。泄漏電流主要由缺陷輔助隧道構(gòu)成，隧穿對載流子運(yùn)輸?shù)挠绊戯@著，導(dǎo)致激活能低于預(yù)期值。

圖4 Si、3C-SiC和4H-SiC的功率器件參數(shù)對比圖

圖4展示了Si、3C-SiC和4H-SiC在功率器件應(yīng)用中的性能指標(biāo)圖，并提供了相關(guān)文獻(xiàn)中3C-SiC器件的參數(shù)^[3]。通過對比分析，該文所制作的PiN二極管在性能指標(biāo)上優(yōu)于Si單極和超級結(jié)極限，同時對3C-SiC MOSFETs和肖特基勢壘二極管進(jìn)行了改進(jìn)。此外，該文章還指出，通過減小漂移層厚度和摻雜度，可以進(jìn)一步降低開啟電阻，從而提高器件性能。

高穩(wěn)定性和高電流密度的3C-SiC二極管器件具有的低正向偏置電壓和低反向漏電流密度也源于RTP快速退火爐的良好表現(xiàn)，RTP系列產(chǎn)品是武漢嘉儀通科技有限公司的核心產(chǎn)品，具有最高溫度可達(dá)1200℃，最高升溫速率可達(dá)150℃/s，最快降溫速率達(dá)1200℃/min等高性能參數(shù)，在薄膜材料制備及熱處理方面展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，形成鮮明的行業(yè)競爭力，為高質(zhì)量薄膜材料提供了快速升降溫、精準(zhǔn)控溫的高均勻性的高溫場和氣氛保護(hù)，具體表現(xiàn)在：

√  快速升溫的高溫場能夠促進(jìn)金屬層/SiC層的熱擴(kuò)散，獲得更低的接觸電阻，形成歐姆接觸；

√  高溫條件下的快速熱處理有助于降低金屬層的熱擴(kuò)散深度，降低對SiC層的影響，從而提高二極管特性；

√  保護(hù)氣氛有助于避免金屬電極或SiC材料的高溫氧化，降低表面電阻率，避免出現(xiàn)雜相或者副反應(yīng)。

此外，嘉儀通快速退火爐（RTP，Rapid Thermal Processing）產(chǎn)品，采用紅外輻射加熱及冷壁技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對薄膜材料的快速升溫和降溫，同時搭配超高精度的溫度控制系統(tǒng)，可達(dá)到極佳的溫場均勻性和穩(wěn)定性。

嘉儀通(JouleYacht)快速退火爐系列可處理1-12吋樣品，對材料的金屬合金化、快速熱處理、快速熱退火、快速熱氧化及快速熱氮化等研究和生產(chǎn)起到重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Arvanitopoulos A E, Antoniou M, Perkins S, et al. On the suitability of 3C-Silicon Carbide as an alternative to 4H-Silicon Carbide for power diodes[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, 55(4): 4080-4090.

[2] Li F, Renz A B, Pérez-Tomás A, et al. A study on free-standing 3C-SiC bipolar power diodes[J]. Applied Physics Letters, 2021, 118(24).

[3] Abe M, Nagasawa H, Ericsson P, et al. High current capability of 3C-SiC vertical DMOSFETs[J]. Microelectronic engineering, 2006, 83(1): 24-26.