碳化硅（SiC）是一种优异的第三代半导体材料。其中，3C-SiC（立方相碳化硅）相对于其他SiC晶型（如4H-SiC和6H-SiC）具有一些优点^[1]，如与硅技术集成性好、较低的晶格失配、较高的载流子迁移率、成本相对较低，在以下领域有独特的用途，如低功耗、低频率的功率器件，如低压功率开关、低功耗传感器等；具有集成电路需求的应用，包括模拟集成电路、RF集成电路等；对成本要求较高、且需要SiC材料特性的应用，比如电力电子、光电子器件等。

一个较低的p-n内置电位（1.75 V）使3C-SiC成为中压双极或电荷平衡器件的一个有吸引力的选择。直到最近，大多数3C-SiC都是在Si上生长的，因此，功率器件的制造受到了高缺陷密度和有限的加工温度等问题的阻碍，而器件必然局限于横向结构。Li等^[2]人提出了一个制造和表征的垂直管元二极管使用体积3C-SiC材料。在Al植入区获得p型欧姆接触，其特定接触电阻为103 X cm2。所制作的PiN二极管在1000 A/cm2时具有较低的正向压降2.7 V，在63 V时的开关比高达109。理想因子为1.83-1.99，采用单区结终止设计观察到阻塞电压为110 V。

PIN二极管的制备流程起始于Al掺杂步骤，此步骤会形成高掺杂的p+阳极区域和低掺杂的单区结终端扩展区域（SZ-JTE）。掺杂完成后，离子注入过程需在Ar气氛中、1700℃条件下进行2小时退火处理。随后，经过氧化、光刻、沉积等工艺步骤，在n+衬底上蒸发沉积Ti/Ni(30/100nm)双层合金，并在Ar气氛中、1000℃条件下退火1分钟，形成欧姆接触的阴极（RTP：1000℃@1min，Ar）。对于p+区域，需要沉积Ti/Al/Ni(30/100/50nm)金属堆叠，并在Ar气氛中、1100℃条件下进行快速热处理2分钟，以形成欧姆接触的阳极（RTP：1100℃@2min，Ar）。最终，器件的横截面图呈现出圆形结构，如图1所示。

图1 3C-SiC PiN二极管的横截面示意图

在p型注入区域，我们制备了传输线方法（TLM）结构，并测试了其室温I-V特性，如图2所示。从结果中观察到欧姆行为，且最低的特定接触电阻达到10^4 X cm^2，这在近期报道的p型3C-SiC中属于较低水平。这一优异的接触电阻主要得益于生长条件、抛光方法的优化以及快速热处理（RTP）技术的卓越性能和精确工艺控制。

图2 .p型欧姆接触TLM的室温I-V表征和总电阻的拟合

此外，PiN肖特基二极管在室温下展现出典型的正向J-V特性，如图3a。尽管其内建电势略高于理论值，但仍低于典型的4H-SiC PiN二极管，显示出卓越的性能，有助于降低功耗和提高效率。在2.7V的正向偏压下，电流密度超过1000A/cm2，证明了其出色的导电能力和承受高功率应用的能力。然而，高电流密度下器件的自发热现象仍是一个挑战，需要进一步研究以优化。此外，在±3V时的开关比大于109，如图3b所示，显示出良好的开关特性，适用于高速开关应用。

图3 室温下二极管典型的(a)0-5V正向J-V特性、(b) ±3 V开关性能以及

(c)二极管在300-500K下对数尺度下的正向J-V特性

在高温（300-500K）条件下，正向电流密度增加，内建电位降低，这是由于本征载流子数量的增加。如图3(c)所示，在较低电流密度下，正向J-V曲线呈现平行趋势，表明温度对两电阻差的影响较小。这一行为在4H-SiC PiN二极管中已有报道，是载流子寿命增加和迁移率及扩散系数下降相互补偿的结果。随着温度升高，低电压泄漏电流密度增加。泄漏电流主要由缺陷辅助隧道构成，隧穿对载流子运输的影响显著，导致激活能低于预期值。

图4 Si、3C-SiC和4H-SiC的功率器件参数对比图

图4展示了Si、3C-SiC和4H-SiC在功率器件应用中的性能指标图，并提供了相关文献中3C-SiC器件的参数^[3]。通过对比分析，该文所制作的PiN二极管在性能指标上优于Si单极和超级结极限，同时对3C-SiC MOSFETs和肖特基势垒二极管进行了改进。此外，该文章还指出，通过减小漂移层厚度和掺杂度，可以进一步降低开启电阻，从而提高器件性能。

高稳定性和高电流密度的3C-SiC二极管器件具有的低正向偏置电压和低反向漏电流密度也源于RTP快速退火炉的良好表现，RTP系列产品是武汉嘉仪通科技有限公司的核心产品，具有最高温度可达1200℃，最高升温速率可达150℃/s，最快降温速率达1200℃/min等高性能参数，在薄膜材料制备及热处理方面展现出诸多优势，形成鲜明的行业竞争力，为高质量薄膜材料提供了快速升降温、精准控温的高均匀性的高温场和气氛保护，具体表现在：

√  快速升温的高温场能够促进金属层/SiC层的热扩散，获得更低的接触电阻，形成欧姆接触；

√  高温条件下的快速热处理有助于降低金属层的热扩散深度，降低对SiC层的影响，从而提高二极管特性；

√  保护气氛有助于避免金属电极或SiC材料的高温氧化，降低表面电阻率，避免出现杂相或者副反应。

此外，嘉仪通快速退火炉（RTP，Rapid Thermal Processing）产品，采用红外辐射加热及冷壁技术，可实现对薄膜材料的快速升温和降温，同时搭配超高精度的温度控制系统，可达到极佳的温场均匀性和稳定性。

嘉仪通(JouleYacht)快速退火炉系列可处理1-12吋样品，对材料的金属合金化、快速热处理、快速热退火、快速热氧化及快速热氮化等研究和生产起到重要作用。

参考文献：

[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.