基于Si/SiC异质结的非紫外光控SiC大功率电力电子器件可行性研究

接续一年期预研项目"以SiC为衬底的Si/SiC异质结制备及其光电特性"（61076011），利用Si/SiC异质结对可见光和近红外光的高敏感性和较强的光电流输出，通过与SiC主开关器件的单片集成，实现SiC功率开关器件的非紫外光直接触发。是预研项目向实际应用的扩展。在预研项目通过优化晶粒尺寸及其结晶取向等手段提高光电流输出的基础上，探索利用应变单晶硅薄层构造单晶Si/SiC单异质结和多异质结（超晶格）进一步提高光电流密度的可行性；研究直接光控SiC大功率开关器件的触发原理及其对光触发元件的基本要求；研究不同结构形式Si/SiC异质结的光谱响应、光电转换效率及其与主器件实现单片集成的可行性。研究内容还包括降低SiC功率开关器件阈值电流的途径和器件制造的关键工艺。通过对材料参数、工艺参数和器件结构参数的优化，实现用Si/SiC异质结非紫外光生电流对SiC大功率开关器件的灵敏触发。

为了使宽禁带半导体SiC功率开关器件能够用非紫外光触发，我们原创性的提出了在SiC紫外光触发开关器件中使用窄禁带材料，例如Si，替代SiC作为光生载流子产生区的方案。这样，就在SiC同质结器件中引入了一个Si/SiC异质结。由于Si与SiC的晶格失配度较高，在SiC上生长的Si通常都是多晶硅，而多晶硅中额外载流子的迁移率与寿命之积较小，因而光电流密度较低。为此，本项目首先通过Si晶粒尺寸及其结晶取向的优化等手段提高光电流的输出能力；在进一步探讨直接光控SiC大功率开关器件的触发原理及其光触发条件的基础上，研究了不同结构形式Si/SiC异质结的光谱响应、光电转换效率及其与主器件实现单片集成的可行性，着重从理论和实验两个方面研究了不同结晶取向Si/SiC的界面结构及其特征，探索了界面态的钝化方法。通过对材料参数、工艺参数和器件结构参数的优化，证实多晶Si层采用P+N-结构能明显提高光生触发电流的密度。本项目还探索了利用应变单晶Si薄层和调制掺杂超晶格Si薄膜构造Si/SiC异质结光敏二极管的可行性，仿真结果表明这些创新结构对提高二极管的光电流密度有明显效果，但用常规CVD方法难以在工程上实现，而必须采用MBE之类能对极薄薄膜的组分和厚度实现精确控制的生长方法。