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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UMOSFET304

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） JTE412

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