SiC材料的特性及应用

SiC材料的特性及应用颜小琴2004.11.15SiC材料的发展史话SiC材料的特性及应用SiC材料的制备方法小结SiliconCarbideTechnology(SiC)WhyanewTechnology?SihasservedwonderfullywellasasemiconductorformostapplicationsSidevicesfailtooperateathightemperaturesofaround300ºCSinceSiisasmallbandgapmaterial,sufficientlyhighbreakdownvoltagescannotbeappliedSiC’ssuperiorPerformanceSiCisespeciallyusefulfor:HighTemperatureEnvironmentHighRadiationconditionsHighVoltageswitchingapplicationsHighpowerMicrowaveapplicationsSiCissuperiorcomparedtoSibecause:IthasexceptionallyhighBreakdownelectricfieldWideBandgapEnergyHighThermalconductivityHighcarriersaturatedvelocity起初Acheson错误地认为这种材料是C和Al的化合物，他的目的是想寻找一种材料能够代替金刚石和其他研磨材料，用于材料的切割和抛光，他发现这种单晶材料具有硬度大、熔点高等特性，于1893年申请了专利，将这种产品称为“Carborundum”。开辟了SiC材料和器件研究的新纪元，此后，有关SiC的研究工作全面展开，并且于1958年在Boston召开了第一届SiC会议。但是，Si技术的成功以及迅猛发展，使得人们对SiC的研究兴趣下降，这一时期的研究工作，即60年代中期到70年代中期，主要在前苏联进行，在西方一些国家，SiC的研究工作仅处于维持状态。SiC材料的发展史话1824年,瑞典科学家Berzelius(1779－1848)在人工合成金刚石的过程中就观察到了SiC；1885年Acheson(1856－1931)首次生长出了SiC晶体(Carborundum)；1905年，法国科学家Moissan(1852－1907)在美国Arizona的Dablo大峡谷陨石里发现了天然的SiC单晶(Moissanite)；1907年，英国电子工程师Round(1881－1966)制造出了第一只SiC的电致发光二极管；SiC材料的发展史话1955年，Lely发明了一种采用升华法生长出高质量单晶体的新方法；(转折点)1978年，俄罗斯科学家Tairov和Tsvetkov发明了改良的Lely法以获得较大晶体的SiC生长技术；(里程碑)1979年，成功制造出了SiC蓝色发光二极管；1981年，Matsunami发明了Si衬底上生长单晶SiC的工艺技术，并在SiC领域引发了技术的高速发展；1987年，CreeResearch成立，成为了第一个销售SiC单晶衬底的美国公司。SiC材料的特性及应用Ⅰ.SiCforHighPower,HighTemperatureElectronicsSiGaAs3C-SiC6H-SiC4H-SiC晶格常数(Å)5.435.654.35963.08115.0923.08110.061熔点(K)14201235210021002100热稳定性GoodFairExcellentExcellentExcellent带宽(eV)1.111.432.233.023.26最高工作温度(K)600760125015801580电子迁移率(cm2\V·S)1500850010004001140空穴迁移率(cm2\V·S)600400505050饱和电子速率(107cm\s)1.01.02.22.02.0临界电场(106V\cm)0.30.62.03.23.0介电常数11.812.59.7109.6热导率(W\cm·K)1.50.464.94.94.9SiC与Si和GaAs的有关参数的对比SiC的这些性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料，用于地面核反应堆系统的监控、原油勘探、环境检测及航空、航天、雷达、通讯系统及汽车马达等领域的极端环境中。SiC材料的特性及应用Ⅱ.PolytypisminSiC3C-SiC6H-SiC4H-SiC3C-SiC6H-SiCSiC材料的特性及应用Ⅲ.DopantConsiderations杂质掺入量过大导致了非晶或多晶的形式，深的杂质能级是不利的，不仅激活温度高，而且也不利于器件的设计。SiC材料常用n型掺杂剂为N(N2,NH3)，p型掺杂剂为Al，也有用B的，几乎都用生长过程中引入掺杂剂的原位掺杂方式，个别用离子注入。SiC材料的特性及应用Ⅳ.OxidationofSiCSiC体材料具有很高的抗氧化性，因为在体材料的氧化过程中会在氧化界面形成SiO2层，从而阻止了氧化的进行。2SiC+3O2=2SiO2+2COSiC材料的特性及应用Ⅴ.OhmicContactstoSiC在SiC大功率器件中，SiC和金属间的欧姆接触电阻的大小直接影响到SiC大功率器件性能的优劣，如果接触电阻太高，器件工作时的压降及功耗增大，引起器件因发热而温度过高。SiC材料的特性及应用Ⅵ.SiCLightEmittingDiodes根据SiC在低温下可以发射蓝光的性质，已经成功制作了蓝光发光二极管(LED)。但是，SiC是间接带隙半导体材料，所制成的LED的发光效率非常低。电化学腐蚀处理SiC多孔SiC虽然早在50年代就观察到了SiC材料的电致发光，并且SiC蓝光发光二极管早已实现了商品化，但由于SiC材料的生长工艺技术还不够成熟，SiC的工艺技术，如高质量SiO2的制备、良好的欧姆接触、图形加工技术等还有待于开发，SiC电子器件研制尚处于起步阶段。ComparisonofSiandSiCdevicesundersimilarconditions异质结双极晶体管中高的注入效率LED中发射蓝光(商业应用)宽带隙激光二极管抗辐射器件超低漏电流器件晶格失配低GaN、AlN的最理想的衬底材料SiC器件的应用领域：高压大功率开关二极管，可控硅电力电子器件IC高密度封装空间应用的大功率器件高击穿电场高的热导率良好散热的大功率器件高的器件集成度SiC材料的制备方法Ⅰ.SiCSubstrateCrystalGrowth无论Lely法还是改良的Lely法生长的单晶几乎都是六方结构的4H、6H-SiC，而立方SiC中载流子迁移率较高，更适合于研制微电子器件，但至今尚无商用的3C-SiC体单晶，另外，SiC体单晶在高温下(2200°C)生长，掺杂难于控制，晶体中存在缺陷，特别是微管道缺陷无法消除，并且SiC体单晶非常昂贵，于是发展了多种外延SiC的方法。SiC材料的制备方法Ⅱ.SiCThinFilmEpitaxySiC外延的方法主要有：磁控溅射法(sputting)、激光烧结法(Laserablation)、升华法(sublimationepitaxy)、液相外延法(LPE)、化学气相沉积(CVD)和分子束外延法(MBE)等。小结SiC是非常有潜力的材料，它所具有的卓越性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料。目前SiC研究领域也已取得了可喜的成绩，展现出了美好的应用前景，但仍有一些重大技术难点有待克服，其中最重要的继续改善晶体生长工艺、降低成本、提高材料质量、减少缺陷密度和改善上层掺杂以及获得厚度可控的大面积晶片。谢谢大家！