一种典型半导体材料—SiC

SchoolofinformationScience&EngineeringSHANDONGUNIVERSITYCHINASiC半导体材料目录1.SiC材料的简介2.SiC衬底的制备3.SiC外延制备方法4.SiC光电器件的简介5.SiC紫外探测器的制备6.SiC光电器件的前景1.SiC材料的简介随着第一代和第二代半导体材料发展的成熟，其器件应用也趋于极限。现代科技越来越多的领域需要高频率，高功率，耐高温，化学稳定性好的第三代半导体。而作为第三代半导体优秀代表的SiC（siliconcarbide），越来越多得受到人们的关注。2.SiC材料的简介唯一的固态的IV-IV化合物天然的超晶格结构、同质多型体。目前已发现200多种结构，属于三个晶系：立方（cubic）、六方（hexagon）和斜方（rhombus），常见的主要是3C-SiC、6H-SiC和4H-SiC。可热氧化，但氧化速率远低于Si2.SiC衬底的制备SiC单晶衬底：本征型、N型掺杂、P型掺杂。N型掺杂：氮NP型掺杂：铝Al、硼B、铍Be、镓Ga、氧O。2.SiC衬底的制备物理气相传输法（PVT，physicalvaportransport）又称升华法，又称改良的Lely法，是制备SiC等高饱和蒸汽压、高熔点半导体材料的有效的方法。美国Cree公司1997年实现2英寸6H-SiC单晶的市场化，近两年已实现4英寸6H-SiC单晶的市场化，目前占据全球市场的85％。国内在SiC生长起步较晚，目前主要是山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、中科院物理所等单位开展SiC单晶生长制备技术研究，山东大学2007年在实验室生长出了3英寸6H-SiC单晶。2.SiC衬底的制备物理气相传输法（PVT）：核心装置如右图所示：SiC原料的升华和晶体的再生长在一个封闭的石墨坩埚内进行，坩埚处于高温非均匀热场中。SiC原料部分处于高温中，温度大约在2400~2500摄氏度。碳化硅粉逐渐分解或升华，产生Si和Si的碳化物混合蒸汽，并在温度梯度的驱使下向粘贴在坩埚低温区域的籽晶表面输送，使籽晶逐渐生长为晶体。2.SiC衬底的制备SiC单晶的加工：要求：表面超光滑、无缺陷、无损伤。重要性：直接影响器件的性能。难度：SiC的莫氏硬度为9.2，难度相当大。高晶格完整性低表面粗糙度无损伤工艺流程：切割：用金刚线锯。粗、精研磨：使用不同粗细的碳化硼和金刚石颗粒加粗磨和精磨。粗抛光：机械抛光，用微小的金刚石粉粒进行粗抛。精抛光：化学机械抛光。3.SiC外延制备方法外延：在一定取向的单晶基板上，生长出的晶体与基板保持一定的晶体学取向关系，这种晶体生长叫做外延。同质外延：外延材料与衬底材料为同一种材料。Si上外延Si异质外延：外延材料与衬底材料在性质上、结构上不同。注意晶格匹配、热膨胀系数匹配。如SiC上外延GaN.3.SiC外延制备方法SiC的外延方法LPE（液相外延）VPE（气相外延）MBE（分子束外延）CVD（化学气相沉积法）实例：CVD法生长N型4H-SiC同质外延实验采用瑞典Epigress公司的VP580水平式低压热壁CVD系统，生长时衬底气浮旋转，以达到生长厚度均匀。衬底为山东大学晶体材料国家重点实验室提供的Si面，偏离（0001）面8°的2英寸n型4H-SiC单晶，载流子浓度约为。18310cm38CH510PaSi源：硅烷（）C源：丙烷（）N源：氮气（）生长温度：1550摄氏度压强：4SiH流程图如下：2N3.SiC外延制备方法工艺流程：原理图Si元素在降温过程中会凝聚成Si滴。结论：无明显的微管和孪晶区，速度5um/h，有很好的工艺可靠性。4.SiC光电器件的简介高功率器件高频高温器件紫外探测器件高击穿电压宽禁带高热导率高电流密度半导体SiC整流器件开关器件BipolardiodesSchottkydiodesUnipolartransistorBipolartransistorPINMOSFETJFETBJTthyristor半绝缘SiCRFtransistorMESFET一些SiC器件：SiC肖特基二极管3英寸SiC的MESFET基片SiC二极管与传统Si二极管的比较5.SiC紫外探测器件的制备紫外探测的意义：在导弹监控与预警、紫外天文学、火灾探测、生物细胞癌变检测等方面有着广阔的前景，具有极高的军事和民用价值。传统的方式--光电倍增管：体积大、易破环、高电压、低温下工作。SiC紫外探测器：PN结型PIN型异质结型肖特基势垒型金属-半导体-金属（MSM）型6.SiC紫外探测器的制备实例：SiC肖特基紫外光电探测器件的研制。器件制备的半导体材料：4H-SiC；衬底：N+型，电阻率0.014Ω*cm，厚度300um；外延层：N型，掺杂浓度3.3E15/cm3，厚度10um。5.SiC光电器件的前景近年来，Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善，已经接近其材料特性决定的理论极限，依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。随着SiC衬底材料和器件制造工艺如：外延、欧姆接触、氧化及刻蚀等技术上取得的重大进展，SiC在各类新材料中脱颖而出，在整流器、双极晶体管及MOSFET等多种类型的功率开关器件方面取得来令人瞩目的进展。根据预测，到2015年SiC器件市场的规模将达到8亿美元。尽管SiC器件取得了令人鼓舞的进展，已经有了很多实验室产品，而且部分产品已经进入了市场，但是目前存在的几个市场和技术挑战限制了其商品化进程的进一步发展。挑战：1.昂贵的SiC单晶材料。2.单晶材料本身的缺陷，包括微管道、位错等仍会对器件造成影响。3.SiC器件的可靠性问题。4.大功率器件的封装问题。5.SiC光电器件的前景随着各个国家在SiC项目上投入力度的加大，SiC功率器件面临的技术难题正在逐步降低，只要SiC功率器件可靠性问题解决，随着大尺寸SiC器件的发展，价格最终不会成为制约的瓶颈。随着SiC功率器件在民用领域特别是电动汽车领域的推广应用，相信不久的将来，SiC功率器件会大量的应用于军事和民用的各个领域。