一種典型半導(dǎo)體材料SiC

1、目錄目錄1.SiC材料的簡介2.SiC襯底的制備3.SiC外延制備方法4.SiC光電器件的簡介5.SiC紫外探測器的制備6.SiC光電器件的前景1.SiC材料的簡介 隨著第一代和第二代半導(dǎo)體材料發(fā)展的成熟，其器件應(yīng)用也趨于極限。現(xiàn)代科技越來越多的領(lǐng)域需要高頻率，高功率，耐高溫，化學(xué)穩(wěn)定性好的第三代半導(dǎo)體。而作為第三代半導(dǎo)體優(yōu)秀代表的 SiC（silicon carbide），越來越多得受到人們的關(guān)注。 2.SiC材料的簡介n唯一的固態(tài)的IV-IV化合物n天然的超晶格結(jié)構(gòu)、同質(zhì)多型體。 目前已發(fā)現(xiàn)200多種結(jié)構(gòu)，屬于三個晶系：立方（cubic）、六方（hexagon）和斜方（rhombus），常

2、見的主要是3C-SiC、 6H-SiC和4H-SiC。n可熱氧化，但氧化速率遠(yuǎn)低于Si2.SiC襯底的制備nSiC單晶襯底： 本征型、N型摻雜、P型摻雜。n N型摻雜 ：氮Nn P型摻雜：鋁Al、硼B(yǎng)、鈹Be、鎵Ga、氧O。 2.SiC襯底的制備 物理氣相傳輸法（ PVT，physical vapor transport）又稱升華法，又稱改良的Lely法，是制備SiC等高飽和蒸汽壓、高熔點半導(dǎo)體材料的有效的方法。 美國Cree公司1997年實現(xiàn)2英寸6H-SiC單晶的市場化，近兩年已實現(xiàn)4英寸6H-SiC單晶的市場化，目前占據(jù)全球市場的85。 國內(nèi)在SiC生長起步較晚，目前主要是山東大學(xué)山東大

3、學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所、中科院物理所等單位開展SiC單晶生長制備技術(shù)研究，山東大學(xué)山東大學(xué)2007年在實驗室生長出了3英寸6H-SiC單晶。 2.SiC襯底的制備物理氣相傳輸法（PVT）：核心裝置如右圖所示：SiC原料的升華和晶體的再生長在一個封閉的石墨坩堝內(nèi)進(jìn)行，坩堝處于高溫非均勻熱場中。SiC原料部分處于高溫中，溫度大約在24002500攝氏度。碳化硅粉逐漸分解或升華，產(chǎn)生Si和Si的碳化物混合蒸汽，并在溫度梯度的驅(qū)使下向粘貼在坩堝低溫區(qū)域的籽晶表面輸送，使籽晶逐漸生長為晶體。2.SiC襯底的制備SiC單晶的加工：單晶的加工：n要求：表面超光滑、無缺陷、無損傷。n重要性：直接影響器件的

4、性能。n難度：SiC的莫氏硬度為9.2，難度相當(dāng)大。 高晶格完整性高晶格完整性低表面粗糙度低表面粗糙度無損傷無損傷n工藝流程： 切割：用金剛線鋸。 粗、精研磨：使用不同粗細(xì)的碳化硼和金剛石顆粒加 粗磨和精磨。 粗拋光：機(jī)械拋光，用微小的金剛石粉粒進(jìn)行粗拋。 精拋光：化學(xué)機(jī)械拋光。 3.SiC外延制備方法n外延：外延：在一定取向的單晶基板上，生長出的晶體與基板保持一定的晶體學(xué)取向關(guān)系，這種晶體生長叫做外延。n同質(zhì)外延：同質(zhì)外延：外延材料與襯底材料為同一種材料。Si上外延Sin異質(zhì)外延：異質(zhì)外延：外延材料與襯底材料在性質(zhì)上、結(jié)構(gòu)上不同。注意晶格匹配、熱膨脹系數(shù)匹配。如SiC上外延GaN.3.SiC

5、外延制備方法SiC的外延方法nLPE（液相外延）nVPE（氣相外延）nMBE（分子束外延）nCVD（化學(xué)氣相沉積法）n實例：實例：CVD法生長法生長N型型4H-SiC同質(zhì)外延同質(zhì)外延實驗采用瑞典Epigress公司的VP580水平式低壓熱壁CVD系統(tǒng)，生長時襯底氣浮旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到生長厚度均勻。襯底為山東大學(xué)晶體材料國家重點實驗室提供的Si面，偏離（0001）面8的2英寸n型4H-SiC單晶，載流子濃度約為 。18310 cm38C H510 PanSi源：硅烷（ ）nC源：丙烷（ ）nN源：氮氣（ ）n生長溫度：1550攝氏度n壓強(qiáng)：4SiH流程圖如下：2N3.SiC外延制備方法工藝流程：原理圖

6、Si元素在降溫過程中會凝聚成Si滴。結(jié)論：無明顯的微管和孿晶區(qū)，速度5um/h，有很好的工藝可靠性。4.SiC光電器件的簡介高功率器件高功率器件高頻高溫器件高頻高溫器件紫外探測器件紫外探測器件高擊穿電壓高擊穿電壓寬禁帶寬禁帶高熱導(dǎo)率高熱導(dǎo)率高電流密度高電流密度半導(dǎo)體SiC整流器件開關(guān)器件BipolardiodesSchottkydiodesUnipolartransistorBipolartransistorPINMOSFETJFETBJTthyristor半絕緣SiCRF transistorMESFETn一些一些SiC器件：器件：SiC肖特基二極管3英寸SiC的MESFET基片SiC二極管

7、與傳統(tǒng)Si二極管的比較5.SiC紫外探測器件的制備n紫外探測的意義：在導(dǎo)彈監(jiān)控與預(yù)警、紫外天文學(xué)、火災(zāi)探測、生物細(xì)胞癌變檢測等方面有著廣闊的前景，具有極高的軍事和民用價值。n傳統(tǒng)的方式-光電倍增管：體積大、易破環(huán)、高電壓、低溫下工作。nSiC紫外探測器： PN結(jié)型 PIN型 異質(zhì)結(jié)型 肖特基勢壘型 金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）型6.SiC紫外探測器的制備實例：SiC肖特基紫外光電探測器件的研制。器件制備的半導(dǎo)體材料：4H-SiC；襯底：N+型，電阻率0.014*cm，厚度300um；外延層：N型，摻雜濃度3.3E15/cm3，厚度10um。5.SiC光電器件的前景n近年來，Si功率器件結(jié)構(gòu)設(shè)計

8、和制造工藝日趨完善，已經(jīng)接近其材料特性決定的理論極限，依靠Si器件繼續(xù)完善來提高裝置與系統(tǒng)性能的潛力十分有限。隨著SiC襯底材料和器件制造工藝如：外延、歐姆接觸、氧化及刻蝕等技術(shù)上取得的重大進(jìn)展，SiC在各類新材料中脫穎而出，在整流器、雙極晶體管及MOSFET等多種類型的功率開關(guān)器件方面取得來令人矚目的進(jìn)展。根據(jù)預(yù)測，到2015年SiC器件市場的規(guī)模將達(dá)到8億美元。n盡管SiC器件取得了令人鼓舞的進(jìn)展，已經(jīng)有了很多實驗室產(chǎn)品，而且部分產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了市場，但是目前存在的幾個市場和技術(shù)挑戰(zhàn)限制了其商品化進(jìn)程的進(jìn)一步發(fā)展。挑戰(zhàn)：1.昂貴的SiC單晶材料。2.單晶材料本身的缺陷，包括微管道、位錯等仍會對器件造成影響。3.SiC器件的可靠性問題。4.大功率器件的封裝問題。5.SiC光電器件的前景n隨著各個國家在SiC項目上投入力度的加大，