碳化硅技术基本原理 生长、表征、器件和应用

作者在碳化硅研发领域有着总共45年以上的经历，是当今碳化硅研发和功率半导体领域中的领军人物。通过两位专家的执笔，全景般展示了碳化硅领域的知识和进展。

随着碳化硅基功率器件进入实用化阶段，本书的出版对于大量已经进入和正在进入该行业，急需了解掌握该行业但不谙英语的专业人士是一本难得的专业书籍。

本书可以作为从事碳化硅电力电子材料、功率器件及其应用方面专业技术人员的参考书，也可以作为高等学校微电子学与固体物理学专业高年级本科生、研究生的教学用书或参考书。

该书对于在诸如电力供应、换流器-逆变器设计、电动汽车、高温电子学、传感器和智能电网技术等方面的设计工程师、应用工程师和产品经理也是有益的。

《碳化硅技术基本原理 生长、表征、器件和应用》是一本有关碳化硅材料、器件工艺、器件和应用方面的书籍，其主题包括碳化硅的物理特性、晶体和外延生长、电学和光学性能的表征、扩展缺陷和点缺陷，器件工艺、功率整流器和开关器件的设计理念，单／双极型器件的物理和特征、击穿现象、高频和高温器件，以及碳化硅器件的系统应用，涵盖了基本概念和新发展现状，并针对每个主题做深入的阐释，包括基本的物理特性、新的理解、尚未解决的问题和未来的挑战。

译者序
原书前言
原书作者简介
第１章 导论１
第２章 碳化硅的物理性质１０
第３章 碳化硅晶体生长３６
第４章 碳化硅外延生长７０
第５章 碳化硅的缺陷及表征技术１１７
第６章 碳化硅器件工艺１７7
第７章 单极型和双极型功率二极管２６２
第８章 单极型功率开关器件２８6
第９章 双极型功率开关器件３３６
第１０章 功率器件的优化和比较３９８
第１１章 碳化硅器件在电力系统中的应用４２５
第１２章 专用碳化硅器件及应用４６６
附录４９０
参考文献４９９

作为各类电力电子系统中的关键部件，功率半导体器件受到越来越多的关注。

功率器件的主要应用包括电源、电机控制、可再生能源、交通、通信、供热、机器人技术及电力传输和分配等方面。半导体功率器件在这些系统中的应用可以显著节省能源，加强化石燃料的节约，并减少环境污染。

随着一些新兴市场的出现，包括光伏电池和燃料电池的电能变换器、电动汽车（ＥＶ）和混合动力电动汽车（ＨＥＶ）用电能变换器和逆变器，以及智能电力设备配电网的控制，电力电子在过去的十年里再次引发全新的关注。目前，半导体功率器件是未来全球节能和电能管理的关键推动力之一。

在过去的几十年里，硅功率器件得到了显著的提升。然而，这些器件正在接近由硅的基本材料特性所限定的性能极限，进一步性能的提升只有通过迁移到更强大的半导体材料。碳化硅（ＳｉＣ） 是一种有着优异物理和电气性能的宽禁带半导体，适合作为未来的高电压、低损耗电力电子的基础。

ＳｉＣ是一种Ⅳ －Ⅳ族化合物半导体，有着２３～３３ｅＶ的禁带宽度（取决于晶体结构，或多型体），它拥有１０倍于Ｓｉ的击穿电场强度、３倍于Ｓｉ的热导率，使得ＳｉＣ对于大功率和高温器件具有特别的吸引力。例如，在给定阻断电压下，ＳｉＣ功率器件的通态电阻比Ｓｉ器件的要低好几个数量级，这会大大提高电能变换效率。

ＳｉＣ的宽禁带特性和高热稳定性使得某些类型的ＳｉＣ器件可以在结温达３００℃或者更高的温度下无限期工作而不会产生可测量的性能退化。在宽禁带半导体中，ＳｉＣ是比较特殊的，因为它可以容易地在超过５个数量级的范围进行ｐ型或者ｎ型掺杂；另外，ＳｉＣ是唯一的化合物半导体，其自然氧化物是ＳｉＯ２，是和硅的自然氧化物一样的绝缘体，这使得用ＳｉＣ制造整个基于ＭＯＳ（金属－氧化物－半导体） 家族的电子器件成为可能。

自２０世纪８０年代以来，有关ＳｉＣ材料和器件技术的开发得到了持续的投入。

基于２０世纪８０年代和９０年代的多项技术突破，ＳｉＣ肖特基势垒二极管（ＳＢＤ）的商业化产品于２００１年成功面世，并且在过去的若干年里，ＳｉＣＳＢＤ的市场得到了迅速发展。ＳＢＤ被应用于各种类型的电力系统中，包括开关电源、光伏变换器及空调、电梯和地铁的电机控制。ＳｉＣ功率开关器件的商业化生产开始于２００６～２０１０年间，主要有ＪＦＥＴ（结型场效应晶体管） 和ＭＯＳＦＥＴ（金属－氧化物－半导体场效应晶体管）。这些器件得到了市场广泛接受，现在，很多行业已经开始利用这些ＳｉＣ功率开关器件所带来的好处。作为一个例子，根据ＳｉＣ元器件应用的程度，一个电源或逆变器的体积和重量可以减少４～１０倍。除了尺寸和重量方面的减少外，使用ＳｉＣ元器件还可以使功耗也得到了大幅降低，从而使电力变换系统的效率得到显著提高。

近年来，ＳｉＣ专业社团在学术界和工业界发展迅猛，越来越多的公司在致力于发展ＳｉＣ晶圆和／或器件的生产制造能力，相关的年轻科学家和工程师的数量也在与日俱增。然而，现在几乎没有教科书在从材料到器件再到应用这样宽的范围内涵盖ＳｉＣ技术，因此，这些科学家、工程师和研究生会是《碳化硅技术基本原理 生长、表征、器件和应用》的潜在读者。作者也希望本书对这些读者来说是及时的和有益的，并使得他们可以迅速获得在此领域内实践所需的基本知识。由于《碳化硅技术基本原理 生长、表征、器件和应用》同时包涵了基础和高级概念，需要读者有一定的半导体物理及器件基础，不过，对于材料科学或者电气工程专业的研究生来说，阅读本书将不会有困难。

《碳化硅技术基本原理 生长、表征、器件和应用》所涉及的主要内容包括ＳｉＣ的物理特性、晶体和外延生长、电学和光学性能的表征、扩展缺陷和点缺陷、器件工艺、功率整流器和开关器件的设计理念、单／双极型器件的物理和特征、击穿现象、高频和高温器件以及ＳｉＣ器件的系统应用，涵盖了基本概念和最新发展现状。特别是，我们力图对每个主题做深入的阐释，包括基本的物理特性、最新的理解、尚未解决的问题和未来的挑战。

最后，《碳化硅技术基本原理 生长、表征、器件和应用》的作者致谢这一领域的一些同事和先驱，特别感谢ＷＪＣｈｏｙｋｅ教授（匹兹堡大学）、ＨＭａｔｓｕｎａｍｉ荣誉教授（京都大学）、ＧＰｅｎｓｌ博士（埃尔兰根－纽伦堡大学，已故）、ＥＪａｎｚéｎ教授（林雪平大学）和ＪＷＰａｌｍｏｕｒ博士（科锐公司），感谢他们对本领域和我们对本领域的认识的宝贵贡献；我们也对Ｗｉｌｅｙ出版社的ＪａｍｅｓＭｕｒｐｈｙ先生和ＣｌａｒｉｓｓａＬｉｍ女士的指导和耐心表示感谢。最后，我们要感谢我们的家人在写作本书时给予的体贴支持和鼓励，没有他们的支持和理解，就不会有《碳化硅技术基本原理 生长、表征、器件和应用》的出版。

木本恒畅詹姆士Ａ.库珀

译者序

半导体功率器件在经历从２０世纪７０年代以来的快速发展，已经成为当前世界上各种电力电子系统中的核心电子元件。半导体功率器件大量应用在从各类家用电器到以电力为主的各类工业设备、运输工具（包括新能源汽车、电力牵引等） 和以高电压大功率半导体功率器件为主的现代高压、特高压交、直流和智能电网输电技术等。随着全球气候变暖的问题越来越受到人们关注，节能减排、提高能源效率的重要性日益突出，以柔性直流输电技术为主的智能电网技术由于可以大规模接纳风能和太阳能等清洁可再生能源，成为新一代绿色能源互联网技术的代表，其发展对其能源控制核心的功率半导体器件提出了更高的要求。碳化硅宽禁带半导体技术和基于碳化硅等功率半导体器件的发展，成为实现这一要求的理想选择之一。

作为第三代新型宽禁带半导体材料的代表，碳化硅具有出色的物理、化学和电性能特性。在功率半导体器件领域，特别是大功率、高电压和一些特殊环境中，例如高温、高辐射等环境中，碳化硅单晶材料具有举足轻重的地位和很好的应用前景，也是大功率、高电压功率半导体器件的发展方向。碳化硅技术在新一代绿色能源互联网上的应用可以显著提高输运电压等级，降低功耗，提高效率，减小所使用器件的数量和散热器体积，提高电网运行可靠性等。在经过２０世纪８０～９０年代在碳化硅材料和器件制造工艺上的一系列突破，以及２００１年世界上首枚碳化硅肖特基势垒二极管（ＳＢＤ）和２０１１年的首枚碳化硅ＭＯＳＦＥＴ成功实现商业化，碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料在高压大功率半导体功率器件的重要地位和广阔前景得到世界的广泛确认。

《碳化硅技术基本原理 生长、表征、器件和应用》是一本全景式介绍碳化硅及相关技术的专著，内容涵盖碳化硅材料、器件工艺、器件和应用等方面，涉及的主题包括碳化硅的物理特性、晶体和外延生长、电学和光学性能的表征、扩展缺陷和点缺陷，器件工艺、功率整流器和开关器件的设计理念，单／双极型器件的物理和特征、击穿现象、高频和高温器件，以及碳化硅器件的系统应用，涵盖了基本概念和最新发展现状，并针对每个主题做深入的阐释，包括基本的物理特性、最新的理解、尚未解决的问题和未来的挑战。《碳化硅技术基本原理 生长、表征、器件和应用》涉及面广、内容翔实、配有大量图表数据和精美图例，便于读者快速、全面了解碳化硅技术的原理、应用和发展。有鉴于目前国内碳化硅方面的书籍相对匮乏，特别是缺少一部代表目前碳化硅技术发展水平，并具有从材料到工艺，再到器件及应用这样一个大跨度的专业参考书籍，《碳化硅技术基本原理 生长、表征、器件和应用》为国内相关从业科技人员和在校从事相关领域研究的教师及研究生不可多得的专业／教学书籍。本书的翻译也为那些不谙英语但想迅速掌握碳化硅相关技术的读者提供语言上的便利。

本书的作者ＴｓｕｎｅｎｏｂｕＫｉｍｏｔｏ是京都大学电子科学与工程系的一名教授，长期从事碳化硅材料、表征、器件工艺以及功率器件等方面的研究，是日本碳化硅界的领军人物，在碳化硅的外延生长、光学和电学特性表征、缺陷电子学、离子注入、金属－氧化物－半导体（ＭＯＳ） 物理和高电压器件等方面均有建树。而另一位作者，美国普渡大学电气与计算机工程学院的ＪａｍｅｓＡＣｏｏｐｅｒ则是一位半导体界的元老级人物，他在ＭＯＳ器件、ＩＣ及包括硅和碳化硅在内的功率器件方面都有研究和建树，特别是碳化硅基ＵＭＯＳＦＥＴ、肖特基二极管、ＵＭＯＳＦＥＴ、横向ＤＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ和ＩＧＢＴ等的开发做出了突出贡献。