SiC外延行业动态

SiC同质外延行业动态一、行业概述半导体技术与人们的生活息息相关，它在提高人们生活水平的同时，深刻地影响了当代人的方方面面。作为半导体技术的一个重要分支，半导体材料对半导体技术的发展有着举足轻重的作用，它的每一次发展都会推动半导体器件和集成电路性能的较大进步。为了进一步提高半导体技术，我们需要坚持不懈地研究半导体材料。现在，使用半导体材料Si、Ge制造器件的技术比较成熟，应用的范围相当广泛。然而，随着电路系统工作环境的复杂化，我们对电子器件的性能要求也更加严格，硅材料已不能满足要求。所以第二代半导体材料GaAs等应运而生，在一定程度范围满足了现代技术应用的要求。在此之后，又研究出第三代宽带隙（Eg2.3eV）半导体材料。第三代半导体材料凭借其优越的综合性能脱颖而出，其中具有代表性的是SiC和GaN。Si器件作为当今世界的主流，日益表现出局限性，其带隙宽度较小，高温下不能正常工作，在高温、高频、大功率及强辐射条件下性能捉襟见肘。Si器件的最高耐温只有150℃，而SiC器件的耐温可达600℃，而且热导率高，有利于器件良好地散热，使器件发挥更好的性能，由于散热良好，器件和集成电路的体积可以做的更小。SiC器件和Si器件相比，耐压范围也更高，如图1.1所示。第三代半导体材料的性质见表1.1，所以在耐腐蚀等环境下，有着巨大的应用价值。电力电子领域是SiC材料应用的典型领域。图1.1Si和SiC器件耐压值范围在航空航天或军事领域，系统的工作条件极其恶劣。从80年代末起，SiC材料与器件的飞速发展。由于SiC材料种类很多，性质各异，它的应用范围十分广泛。在大功率器件方面，利用SiC材料可以制作的器件，其电流特性、电压特性、和高频特性等具有比Si材料更好的性质。在高频器件方面，SiC高频器件输出功率更高，且耐高温和耐辐射辐射特性更好，可用于通信电子系统等。在光电器件方面，利用SiC不影响红外辐射的性质，可将其用在紫外探测器上，在350℃的温度检测红外背景下的紫外信号，功率利用率80%左右。在耐辐射方面，一些SiC器件辐射环境恶劣的条件下使用如核反应堆中应用。高温应用方面，利用SiC材料制备的器件工作温度相当地高，如SiCMOSFET和SiC肖特基二极管可在900k下工作。从世界范围来看，高功率器件是最有可能实现的，应用潜力也最大，如图1.2所示。SiC作为二元化合物半导体，属于Ⅳ族元素中唯一的固态化合物。它Si-C健的能量很稳定，这也是SiC在各种极端环境下仍能稳定的原因。SiC的原子化学能高达1250KJ/mol；德拜温度达到1200-1430K，摩尔硬度达到9级，仅比金刚石摩尔硬度低些；导热性良好，达5W/cm.K,比其他半导体材料好很多。SiC有多种同质多型体，不同的同质多型体有不同的应用范围。典型的有3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC，它们各有不同的应用范围。其中，3C-SiC是唯一具有闪锌矿结构的同质多型体，其电子迁移率最高，再加上有高热导率和高临界击穿电场，非常适合于制造高温大功率的高速器件；6H-SiC具有宽的带隙，在高温电子、光电子和抗辐射电子等方面有使用价值，使用6H-SiC制造的高频大功率器件，工作温度高，功率密度有极大的提升；而4H-SiC具有比6H-SiC更宽的带隙和较高的电子迁移率，是大功率器件材料的最优选择。由于SiC器件在国防和民用领域不可替代的地位，世界上很多国家对SiC半导体材料和器件的研究都很重视。美国的国防宽禁带半导体计划、欧洲的ESCAPEE计划和日本的国家硬电子计划等，纷纷对SiC半导体材料晶体制备和外延及器件投入巨资进行研究。SiC电子器件是微电子器件领域的研究热点之一。SiC材料的击穿电场有4MV/cm，很适合于制造高压功率器件的有源层。而由于SiC衬底存在缺陷等原因，将它直接用于器件制造时，性能不好。SiC衬底经过外延之后，其表面缺陷减少，晶格排列整齐，表面形貌良好，比衬底大为改观，此时将其用于制造器件可以提高器件的性能。为了提高击穿电压，厚的外延层、好的表面形貌和较低的掺杂浓度是必需的。一些高压双极性器件，需外延膜的厚度超过50μm,掺杂浓度小于2×1015cm-3,载流子寿命大过1us。对于高反压大功率器件，需要要在4H-SiC衬底上外延一层很厚的、低掺杂浓度的外延层。为了制作10KW的大功率器件，外延层厚度要达到100μm以上。高压、大电流、高可靠性SiC电子器件的不断发展对SiC外延薄膜提出了更多苛刻的要求，需要通过进一步深入的研究提高厚外延生长技术。电子迁移率με和空穴迁移率μp表示单位电场下载流子的漂移速度，对器件而言，这是决定性的重要参数，影响到器件的微波器件跨导、FET的输出增益、功率FET的导通电阻和其它参数。本征载流子浓度（ni）与导带和介带的状态密度Nc和Nv成比例。然而，由于晶格热膨胀和电子质子耦合的结果，像带隙Eg那样，也与温度有关。本征载流子浓度在高温器件应用中是一个很重要的参数，因为器件中pn结漏电流通常与ni或ni2成正比。电子和空穴的传输特性是重要的材料参数，它们由载流子速度-电场(υ−E)特性描述。υ−E特性通常用载流子迁移率及饱和漂移速度描述。速度达到饱和时的电场值表征载流子速度被加速到达饱和值的快慢。此外，SiC物质在扩散渗透时有低的渗透度。电荷载流子寿命较短，但是寿命和扩散长度随温度的升高而增大。二、行业动态2.1国内外现状SiC是最早发现的半导体材料之一。早在1824年，瑞典科学家Berzelius在试图合成金刚石时偶然发现了SiC，首次揭示了C-Si键存在的可能性。直到1885年，Acheson才第一次使用焦炭与硅石混合在电熔炉中高温加热获得SiC单晶。但得到的SiC杂质浓度较高，结晶完整性较差，同时SiC的结晶形态繁多，根本无法用于制造电子器件。1955年，荷兰飞利浦研究室的Lely首次在实验室中用升华气体再结晶的方法制成杂质数量和种类可控制的、具有足够尺寸的SiC单晶，由此奠定了碳化硅的发展基础。在此基础上，前苏联科学家Tariov和Tsvetkov等人于1978年提出利用籽晶升华法(seededsublimationmethod)生长SiC单晶，即所谓“改进的Lely法”(modifiedLelymethod)或物理气相传输法(physicalvaportransport，PVT)，从根本上克服了液相生长SiC比较困难这一障碍。1987年，专门从事SiC半导体研究工作的Cree公司成立，并于1994年制备出4H-SiC晶片。随后，SiC器件的制造工艺，如离子注入、氧化、刻蚀、金属．半导体接触等取得了重大进展，从而掀起了SiC材料、器件及相关技术研究的热潮，并取得了突飞猛进的发展。就SiC单晶生长来讲，美国Cree公司由于其研究领先，主宰着全球SiC市场，几乎85％以上的SiC衬底由Cree公司提供。此外，俄罗斯、日本和欧盟(以瑞典和德国为首)的一些公司和科研机构也在生产SiC衬底和外延片，并且已经实现商品化。在过去的几年中，SiC晶片的质量和尺寸稳步提高，1998年秋，2英寸直径的4H-SiC晶片已经在投入市场。1999年直径增大到3英寸，微管(micropipe)密度下降到10／cm2左右，这些进展使得超过毫米尺寸的器件制造成为可能。从2005年下半年，微管密度小于l／cm2的3英寸6H和4H-SiC晶片成为商用SiC材料的主流产品。2007年5月23日，Cree公司宣布在SiC技术开发上又出现了一座新的里程碑一英寸(100mm)零微管(ZMP)n型SiC衬底。同时，螺旋位错(screwdislocation)密度被降低到几百个／cm2。虽然螺旋位错对器件性能的影响不如微管那么大，但还是会影响到击穿场强、少数载流子寿命等材料性能。SiC单晶材料取得的突破进展，不断推进着SiC器件的研究和发展，大部分常规的SiC单极、双极、二端和三端器件都取得了很好的进展。拥有高温、高频特性，击穿电压几千伏、电流几十安培的肖特基二极管已开发成功，300W10、20A，600V／2～12A、20A和1．2kV／10、20A的二极管已经实现商品化。SiCMESFET及JFET等高频大功率器件成为近几年SiC器件的一个研究热点。SiC结型场效应晶体管(JunctionFieldEfieetTransistor)由于在高压、大功率的优越特性，在汽车电子、DC．DC转换器等领域具有很好的应用前景。2003年，JianH．Zhao等人研制了凹沟和注入的4H-SiCVJFET[L341。其性能指标为在VC=-9V时，阻断电压为1710V，且RON_sp轴为2.77mOcm2，品质因子(FigureofMerit)VB2／RON_sp=1056MW／cm2。2007年，RongxiZhang等人报道了便于集成的4H-SiC横向RESURFJFET，其性能指标为阻断电压为1000V，比开态电阻RON_sp为9．1mO·cm2，VB2／RON_sp=1056MW／cm2。YongxiZhang等人还研制了垂直沟道横向结的RESURFJFET，比开态电阻RON_sp即为9.1mO·cm2，VB2／RON_sp=116MW／cm2；SiC双极晶体管(BipolarJuentionTransistor)具有很好的大电流放大能力，而且能够在射频领域工作，成为最近SiC器件研究的热点之一。2006年，JianHuiZhang等人研制了12μmP漂移层的SiCBJT，器件性能为：创记录的比开态电阻为RON_sp为2.9mO·cm2，基极开态时收集极一发射极阻断电压为757V，电流增益为18.8。2008年JianHuiZhang等人研制了高发射极电流增益SiCBJT，器件性能为：比开态电阻为RON_sp为3.0mO·cm2，基极开态时收集极一发射极阻断电压为1750V，电流增益高达70，显示了SiCBJT的良好发展态势；2008年，RobertS．Howell等人报道了芯片面积0.43cm2，有源区面积O．15cm2，击穿电压为10kV的DMOSFET，在栅电场为3MV／cm时的IDS=8A，而VGs=0v时的亚阂值电流从25℃的1μA降到200℃的0.4μA。目前SiCMOSFET的主要技术挑战在于沟道迁移率的提高和氧化层可靠性的改善；SiCMESFET作为工作在UHF-X波段频率范围内的功率晶体管进入了成熟期，Cree公司于2005年报道单片4H-SiCMESFET的微波大功率产品，工作频率3GHz，40-50V电压，连续波输出功率80W，增益大于7.6dB，功率附加效率38％，脉冲输出功率120W。此外，Cree公司采用4个晶体管制成输出功率为400W的功率放大器。最近，NorthropGrumlilanCo．制成大功率4H．SiCMESFET在周长为1.92mm，栅长为0.5pm，10GHz下，输出功率为6W，相应的增益、漏效率和功率附加效率分别为5.1db、52％和34．6％。美国Purdue大学制成的亚微米T型栅SiCMESFET的饱和漏电流为350mA／mm，跨导为20ms／mm，漏击穿电压为120V，0.5μm的T型栅的最大RF功率密度为3.2W／mm。SiC基的静态感应晶体管(StaticInducedTransistor)、紫外探测器、PiN二极管、肖特基二极管(SBD)等器件都是具有较好性能和应用潜力。在4H-SiC材料和器件发展方面，美国处于国际领先地位，已经从探索性研究阶段向大规模研究和应用阶段过渡。CREE公司已经生产出4英寸(100mm)零微管(ZMP)n型SiC衬底。同时，螺旋位错(screwdislocation)密度被降低到几十个／cm2。商用水平最高的器件：4H-SiCMESFET在S-波段连续波工作60W(1.5GHz，ldB压缩)，漏效率45％(1.5GHz，POUT=PldB)，工作频率至2.7GHz。近期CREE公司生产的CRF35010性能达到：工作电压48V，输出功率10W，工作频率3.4-3.8GHz，线性增益10