碳化硅（SiC）是一種優異的第三代半導體材料。其中，3C-SiC（立方相碳化硅）相對于其他SiC晶型（如4H-SiC和6H-SiC）具有一些優點^[1]，如與硅技術集成性好、較低的晶格失配、較高的載流子遷移率、成本相對較低，在以下領域有獨特的用途，如低功耗、低頻率的功率器件，如低壓功率開關、低功耗傳感器等；具有集成電路需求的應用，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材料特性的應用，比如電力電子、光電子器件等。

一個較低的p-n內置電位（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構。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植入區獲得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時的開關比高達109。理想因子為1.83-1.99，采用單區結終止設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+陽極區域和低摻雜的單區結終端擴展區域（SZ-JTE）。摻雜完成后，離子注入過程需在Ar氣氛中、1700℃條件下進行2小時退火處理。隨后，經過氧化、光刻、沉積等工藝步驟，在n+襯底上蒸發沉積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出圓形結構，如圖1所示。

圖1 3C-SiC PiN二極管的橫截面示意圖

在p型注入區域，我們制備了傳輸線方法（TLM）結構，并測試了其室溫I-V特性，如圖2所示。從結果中觀察到歐姆行為，且最低的特定接觸電阻達到10^4 X cm^2，這在近期報道的p型3C-SiC中屬于較低水平。這一優異的接觸電阻主要得益于生長條件、拋光方法的優化以及快速熱處理（RTP）技術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出典型的正向J-V特性，如圖3a。盡管其內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，證明了其出色的導電能力和承受高功率應用的能力。然而，高電流密度下器件的自發熱現象仍是一個挑戰，需要進一步研究以優化。此外，在±3V時的開關比大于109，如圖3b所示，顯示出良好的開關特性，適用于高速開關應用。

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

(c)二極管在300-500K下對數尺度下的正向J-V特性

在高溫（300-500K）條件下，正向電流密度增加，內建電位降低，這是由于本征載流子數量的增加。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散系數下降相互補償的結果。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成，隧穿對載流子運輸的影響顯著，導致激活能低于預期值。

圖4 Si、3C-SiC和4H-SiC的功率器件參數對比圖

圖4展示了Si、3C-SiC和4H-SiC在功率器件應用中的性能指標圖，并提供了相關文獻中3C-SiC器件的參數^[3]。通過對比分析，該文所制作的PiN二極管在性能指標上優于Si單極和超級結極限，同時對3C-SiC MOSFETs和肖特基勢壘二極管進行了改進。此外，該文章還指出，通過減小漂移層厚度和摻雜度，可以進一步降低開啟電阻，從而提高器件性能。

高穩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，RTP系列產品是武漢嘉儀通科技有限公司的核心產品，具有最高溫度可達1200℃，最高升溫速率可達150℃/s，最快降溫速率達1200℃/min等高性能參數，在薄膜材料制備及熱處理方面展現出諸多優勢，形成鮮明的行業競爭力，為高質量薄膜材料提供了快速升降溫、精準控溫的高均勻性的高溫場和氣氛保護，具體表現在：

√  快速升溫的高溫場能夠促進金屬層/SiC層的熱擴散，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散深度，降低對SiC層的影響，從而提高二極管特性；

√  保護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，避免出現雜相或者副反應。

此外，嘉儀通快速退火爐（RTP，Rapid Thermal Processing）產品，采用紅外輻射加熱及冷壁技術，可實現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，可達到極佳的溫場均勻性和穩定性。

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參考文獻：

[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.