第三代半导体SiC技术的崛起
来源：中国半导体照明网
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随着SiC生产成本的降低，SiC半导体正在凭借其优良的性能逐步取代Si半导体，打破Si基由于材料本身性能的所遇到瓶颈。无疑，它将引发一场类似于蒸汽机一样的产业革命。
第一代半导材料Si点燃了信息产业发展的“星星之火”，而Si材料芯片也成就了“美国硅谷”高科技产业群，促使英特尔等世界半导体巨头的诞生，95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由Si材料制作。
目前全球40%能量作为电能被消耗，而电能转换最大耗散是半导体功率器件。曾经的“中流砥柱”Si功率器件已日趋其发展的材料极限，难以满足当今社会发展对于高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化的新需求。以SiC为代表的第三代半导体材料凭借其优异属性，将成为突破口，正在迅速崛起。
SiC作为一种宽禁带半导体材料，不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频、高效大功率器件，应用于Si器件难以胜任的场合。
以SiC等为代表的第三代半导体材料，将被广泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域，以其优异的半导体性能在各个现代工业领域都将发挥重要革新作用，应用前景和市场潜力巨大。
LED半导体照明是以SiC为代表的第三代半导体技术所实现的第一个突破口！SiC有效地解决了衬底材料与GaN的晶格匹配度问题，减少了缺陷和位错，更高的电光转换效率从根本上带来更多的出光和更少的散热。基于此，303 lm/W大功率LED实验室光效记录诞生，高密度级LED技术可实现尺寸更小、性能更高、设计更具灵活性的LED照明系统，开创性的SC5技术平台和超大功率XHP LED器件可实现LED照明系统最高40%成本降低。
随着SiC生产成本的降低，SiC半导体正在凭借其优良的性能逐步取代Si半导体，打破Si基由于材料本身性能的所遇到瓶颈。无疑，它将引发一场类似于蒸汽机一样的产业革命：
1. SiC材料应用在高铁领域，可节能20%以上，并减小电力系统体积；
2. SiC材料应用在新能源汽车领域，可降低能耗20%；&
3. SiC材料应用在家电领域，可节能50%；
4. SiC材料应用在风力发电领域，可提高效率20%；
5. SiC材料应用在太阳能领域，可降低光电转换损失25%以上；
6. SiC材料应用在工业电机领域，可节能30%-50%；
7. SiC材料应用在超高压直流输送电和智能电网领域，可使电力损失降低60%，同时供电效率提高40%以上；
8. SiC材料应用在大数据领域，可帮助数据中心能耗大幅降低（当前全球300万台数据中心每小时耗电量约为3000万千瓦）；
9. SiC材料应用在通信领域，可显著提高信号的传输效率和传输安全及稳定性；
10. SiC材料可使航空航天领域，可使设备的损耗减小30%-50%，工作频率高3倍，电感电容体积缩小3倍，散热器重量大幅降低。
2014年伊始，美国总统奥巴马亲自主导成立了以SiC为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟。这一举措的背后，是美国对以SiC半导体为代表的第三代宽禁带半导体产业的强力支持。据了解，这个产业目前已经获得美国联邦和地方政府总计1.4亿美元的合力支持。而早在2013年日本政府就将SiC纳入“首相战略”，认为未来50%的节能要通过它来实现，创造清洁能源的新时代。
正如美国总统奥巴马在该产业联盟成立大会上所提到，以SiC为代表的第三代半导体技术将可使笔记本电脑适配器的体积减少80%，也可以将一个变电站的体积缩小至一个手提箱的大小规格。或许，这正是SiC半导体的魅力之所在。
未来，由半导体SiC材料制作成的功率器件将支撑起当今节能技术的发展趋向，成为节能设备最核心的部件，因此半导体SiC功率器件也被业界誉为功率变流装置的“CPU”、绿色经济的“核芯”。&
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第三代半导体SiC技术的崛起
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第三代半导体SiC技术的崛起
& & 第一代半导体材料Si点燃了信息产业发展的“星星之火”，而Si材料芯片也成就了“美国硅谷”高科技产业群，促使英特尔等世界半导体巨头的诞生，95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由Si材料制作。
&& &&目前全球40%能量作为电能被消耗，而电能转换最大耗散是半导体功率器件。曾经的“中流砥柱”Si功率器件已日趋其发展的材料极限，难以满足当今社会发展对于高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化的新需求。以SiC为代表的第三代半导体材料凭借其优异属性，将成为突破口，正在迅速崛起。
&&SiC作为一种宽禁带半导体材料，不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频、高效大功率器件，应用于Si器件难以胜任的场合。
& &以SiC等为代表的第三代半导体材料，将被广泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域，以其优异的半导体性能在各个现代工业领域都将发挥重要革新作用，应用前景和市场潜力巨大。
&&LED半导体照明是以SiC为代表的第三代半导体技术所实现的第一个突破口！SiC有效地解决了衬底材料与GaN的晶格匹配度问题，减少了缺陷和位错，更高的电光转换效率从根本上带来更多的出光和更少的散热。基于此，303 lm/W大功率LED实验室光效记录诞生，高密度级LED技术可实现尺寸更小、性能更高、设计更具灵活性的LED照明系统，开创性的SC5技术平台和超大功率XHP LED器件可实现LED照明系统最高40%成本降低。
&&随着SiC生产成本的降低，SiC半导体正在凭借其优良的性能逐步取代Si半导体，打破Si基由于材料本身性能的所遇到瓶颈。无疑，它将引发一场类似于蒸汽机一样的产业革命！
& &&1. SiC材料应用在高铁领域，可节能20%以上，并减小电力系统体积；
& & &2. SiC材料应用在新能源汽车领域，可降低能耗20%；
& & & &3. SiC材料应用在家电领域，可节能50%；
& & & &4. SiC材料应用在风力发电领域，可提高效率20%；
& & & &5. SiC材料应用在太阳能领域，可降低光电转换损失25%以上；
& & & & & &&&6. SiC材料应用在工业电机领域，可节能30%-50%；
& & & &&7. SiC材料应用在超高压直流输送电和智能电网领域，可使电力损失降低60%，同时供电效率提高40%以上；
& & & &8. SiC材料应用在大数据领域，可帮助数据中心能耗大幅降低（当前全球300万台数据中心每小时耗电量约为3000万千瓦）；
& & & & &9. SiC材料应用在通信领域，可显著提高信号的传输效率和传输安全及稳定性；
& & & &&10. SiC材料可使航空航天领域，可使设备的损耗减小30%-50%，工作频率高3倍，电感电容体积缩小3倍，散热器重量大幅降低。
& & &&2014年伊始，美国总统奥巴马亲自主导成立了以SiC为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟。这一举措的背后，是美国对以SiC半导体为代表的第三代宽禁带半导体产业的强力支持。据了解，这个产业目前已经获得美国联邦和地方政府总计1.4亿美元的合力支持。而早在2013年日本政府就将SiC纳入“首相战略”，认为未来50%的节能要通过它来实现，创造清洁能源的新时代。
& &&正如美国总统奥巴马在该产业联盟成立大会上所提到，以SiC为代表的第三代半导体技术将可使笔记本电脑适配器的体积减少80%，也可以将一个变电站的体积缩小至一个手提箱的大小规格。或许，这正是SiC半导体的魅力之所在。
& &未来，由半导体SiC材料制作成的功率器件将支撑起当今节能技术的发展趋向，成为节能设备最核心的部件，因此半导体SiC功率器件也被业界誉为功率变流装置的“CPU”、绿色经济的“核芯”。
& & &&信息来源1：国家半导体照明工程研发及产业联盟
& & &&信息来源2：中国宽禁带功率半导体产业联盟
& & &信息来源3：《科技日报》2014年4月18日星期五第7版整版“破解转型难题：谁来担当重任-碳化硅产业崛起与经济大省转型”
& &&信息来源4：第十三届全国MOCVD学术会议，南京大学郑有炓院士，《第三代半导体材料面临的发展机遇与挑战》
& & &配图来源：除以上4个信息来源之外，部分图片来自百度搜索与搜狗搜索，仅作示意之用
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第三代半导体材料的发展及应用
&&GaN SiC 第三代半导体材料的发展及应用
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近年来，以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)宽禁带化合物为代表的第三代半导体材料正凭借其优越的性能和巨大的市场前景，成为全球半导体市场争夺的焦点。
　　“碳化硅器件在高温、高压、高频、大功率器件以及航天、军工、核能、新能源汽车、LED照明等领域有很强的优势。”台州市一能科技有限公司创始人张乐年谈及半导体级碳化硅原料项目时说到。“作为科技部863计划第三代半导体材料及应用的基础原料，碳化硅原料的国产化，将加快碳化硅器件的普及，既节约60座以上核电站的电力以及减少10%以上石油消耗，又能够使中国在价值4000亿美元的第三代半导体产业中占据主导地位。”　　　　另一种材料氮化镓(GaN)，由于具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度，和更高的工作温度，也被广泛应用于功率因数校正(PFC)、软开关DC-DC等电源系统设计，以及电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通信电源等终端领域。　　　　GaN提供高电子迁移率，这意味着开关过程的反向恢复时间可忽略不计，因而表现出低损耗并提供高开关频率，而低损耗加上宽禁带器件的高结温特性，可降低散热量，高开关频率可减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用，最终减小系统尺寸和重量，提升功率密度，有助于设计人员实现紧凑的高能效电源方案。　　　　机遇与挑战并存　　　　在巨大优势和光明前景的刺激下，目前全球各国均在加大马力布局第三代半导体领域，但我国在宽禁带半导体产业化方面进度还比较缓慢，宽禁带半导体技术亟待突破。　　　　“最大的瓶颈是原材料。”中科院半导体研究所研究员、中国电子学会半导体与集成技术分会秘书长王晓亮认为，我国原材料的质量、制备问题亟待破解。此外，湖南大学应用物理系副教授曾健平也表示，目前我国对SiC晶元的制备尚为空缺，大多数设备靠国外进口。　　　　“国内开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平较低，阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。”国家半导体照明工程研发及产业联盟一专家表示，国内新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利，难以容忍长期“只投入，不产出”的现状。因此，以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰。　　　　原始创新即从无到有的创新过程，其特点是投入大、周期长。以SiC为例，其具有宽的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，非常适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。然而生长SiC晶体难度很大，虽然经过了数十年的研究发展，到目前为止仍只有美国的Cree公司、德国的SiCrystal公司和日本的新日铁公司等少数几家公司掌握了SiC的生长技术，能够生产出较好的产品，但离真正的大规模产业化应用也还有较大的距离。因此，以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰，是实现产业化的一大桎梏。　　　　“第三代半导体对我们国家未来产业会产生非常大的影响，其应用技术的研究比较关键，若相关配套技术及产品跟不上，第三代半导体的材料及器件的作用和效率可能会发挥不好，所以要全产业链协同发展。”中兴通讯副总裁晏文德表示。　　　　是机遇也是挑战。未来，我国第三代半导体产业将面临许许多多的难题。就像北京大学宽禁带半导体研发中心沈波教授所说，当前我国发展第三代半导体面临的机遇非常好，因为过去十年，在半导体照明的驱动下，氮化镓无论是材料和器件成熟度都已经大大提高，但第三代半导体在电力电子器件、射频器件方面还有很长的路要走，市场和产业刚刚启动，我们还面临巨大挑战，必须共同努力。
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3.3 第三代半导体材料（宽禁带半导体材料）半导体材料的发展 ? Si为代表的，第一代半导体材料 ? GaAs为代表的，第二代半导体材料 ? SiC及GaN为代表的宽禁带材料，第三代半导体材 料。包括材料本身和器件开发，仍在发展中。随着半导体材料的单晶制备及外延技术的发展和突破， 并基于以下几方面原因，宽带隙半导体材料应运而生。? 耐高温、高热导、高耐压特性，发展高温（&300℃）、高 功率和低损耗电子器件。 ? 高亮度发光管，从而使人类可以获得高重复性、长寿命的 全色包括白光光源， ? 短波长激光器，束斑尺寸小，可实现高密度数据光存储， 以及及紫外探测器。近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别是 有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功率 等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。于是 人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体材料的 研究，如金刚石、SiC、GaN和AlN 等。这些材料的禁带 宽度在 2 eV 以上，拥有一系列优异的物理和化学性能。主要半导体材料的基本特性物理量 Si Ge GaAs GaN AlN 3C-SiC 6H-SiC 金刚石带隙宽度(eV)能带类型 击穿场强(MV/cm) 电子迁移率 (cm2/V s) 空穴迁移率 (cm2/V s) 热导率(W/cm K)1.120.30.670.11.43直接 0.06 .55 23.37直接 5 .0 2.5 3.189 5.1866.2直接 1.2-1.4 300 14 2.85 1.4 3.112 4.9822.36间接 1 &800 &320 3.6 2.5 4.35963.0间接 3-5 &400 &90 4.9 2.5 3.35.5&10 & 6-20间接 间接 0 1.3 1 5.43 5.66 饱和电子漂移速 度(107 cm /s)晶格常数 (?)5.653.567键结合能（eV）~5SiC 材料及器件的一些具体应用? 高频功率器件：相控阵雷达、通信系统、固相 UHF 广播 系统、高频功率供应、电子干扰(干扰与威胁)和预警系统；? 大功率器件：用于功率产生系统的功率电子、电涌抑制器、 电动汽车的功率调节、电子调节器（传动装置）、固相电灯 镇流器；? 高温器件：喷气发动机传感器、传动装置及控制电子、航 天飞机功率调节电子及传感器、深井钻探用信号发射器、工 业过程测试及控制仪器、无干扰电子点火装置、汽车发动机 传感器；? 作为生长 GaN、AlN、金刚石等的衬底。SiC 的结构? 四面体单元，每种原子被四个异种原子所包围? 原子间通过定向的强四面体 SP3 键结合在一起，并有 一定程度的极化四面体单元SP3 杂化轨道SiC 的结构 ?Sic 具有很强的离子共价键，离子性对键合的贡献 约占12%,决定了它是一种结合稳定的结构。 ?SiC 具有很高的德拜温度，达到 K,决定 了该材料对于各种外界作用的稳定性，在力学、化学 方面有优越的技术特性。SiC 的结构 SiC 是一种天然超晶格，又是一种典型的同质多型体 Si、C 双原子层堆积序列的差异会导致不同的晶体结构， 从而形成了庞大的SiC同质多型族，目前已知的就有200 多种。 SiC同质多型族中最重要的，也是目前比较成熟的、人 们研究最多的是立方密排的 3C-SiC 和六方密排的 2H、 4H 和 6H-SiC。SiC 的结构SiC结构示意图 a) 3C-SiC； b) 2H-SiC； c) 4H-SiC； d) 6H-SiC。a) ABCABC…, 3C-SiC b) ABAB…, 2H-SiC； c) ABCBABCB…, 4H-SiC d) ABCACB…, 6H-SiCSiC 优良的物理和化学性能 ? 力学性质: 高硬度(克氏硬度为3000 kg/mm2)，可以切割红宝 石；高耐磨性，仅次于金刚石。 ? 热学性质: 热导率超过金属铜，是 Si 的3倍，是 GaAs 的 810 倍，散热性能好，对于大功率器件非常重要。SiC 的热稳定 性较高，在常压下不可能熔化 SiC。 ? 化学性质: 耐腐蚀性非常强，室温下几乎可以抵抗任何已知 的腐蚀剂。SiC 表面易氧化生成 SiO2 薄层，能防止其进一步 氧化，在高于1700 oC 时，这层 SiO2 熔化并迅速发生氧化反应。 SiC能溶解于熔融的氧化剂物质。 ? 电学性质: 4H-SiC 和 6H-SiC 的带隙约是 Si 的三倍，是 GaAs 的两倍；其击穿电场强度高于 Si 一个数量级，饱和电子 漂移速度是 Si 的2.5倍。4H-SiC 的带隙比 6H-SiC 更宽。SiC 块材单晶的制备 ( 相 对 量 非 平 衡 ) ( 平 衡 ) T (K) SiC 多型结构与加热温度的关系SiC 块材单晶的制备 不同于Si材料，SiC材料无法用熔体提拉法进行单晶材料的 制备，主要是因为 ? 在现有的实验条件所能达到的压力条件下，SiC没有熔点， 而只是在1800 oC以上时升华为气态。 ? 在目前实验条件所能达到的温度条件下，C 在 Si 熔体中 的溶解度也非常小。 熔融生长法不能用于 SiC 单晶的生长。SiC 块材单晶的制备1824 年，瑞典科学家J. Jacob Berzelius 在试图制备金刚石时意 外发现了这种新的化合物。1885 年，Acheson 用电弧熔炼法生长出 SiC, 但用这种方法形成 的SiC质量较差，达不到大规模生产SiC器件所需的SiC单晶的 质量要求。 1955 年菲力浦研究室的 Lely 首先在实验室用升华法制备了杂 质数量和种类可控的、具有足够尺寸的 SiC 单晶。 具体过程：设计一个空腹的圆筒，将具有工业级的 SiC 块放入 碳坩埚中，加热到 2500 oC， SiC 发生明显的分解与升华，产 生 Si 和 SiC 的蒸汽，在高温炉内形成的温度梯度作用下向低 温方向并凝聚在较低温度处，形成 SiC 晶体。此过程是一个 “升华－凝聚”的过程，生长的驱动力是温度梯度。SiC 块材单晶的制备 大体积 SiC 单晶生长 的基本过程 原料的分解升华、质 量传输和在籽晶上的 结晶。 高温热源 SiC 粉末 多孔石墨SiC 蒸汽 升华源 SiC 粉置于筒 状双壁坩埚的夹层之 SiC 晶体 中。在约 1900 oC的高 SiC 籽晶 温状态下，SiC 蒸汽 低温热源 要先经过坩埚内层的 保温系统 高纯微孔石墨薄壁过 滤掉杂质，然后再向 温度较低的晶体生长 一种生长 SiC 单晶的筒状双壁坩埚装置 区扩散。SiC 块材单晶的制备 改良的 Lely 法世界上主要的SiC单晶衬底供应商如美国的Cree公司、日本的Sixon公司都 采用改良的 Lely 法来生长块材 SiC 单晶。高温化学气相沉积法(HTCVD)HTCVD 法采用的生长系统与升华法所用的系统相似，但籽晶置于坩埚 顶部连续种晶物理气相输运法(CF-PVT)CF-PVT 法采用高纯硅和高纯碳(如多孔石墨盘)直接注入生长区，避免了 通常的采用 SiC 粉末所造成的污染，并且生长过程中原材料可以连续供 应，避免了SiC 粉末消耗过大所造成的生长停顿卤化物化学气相沉积法(HCVD)SiCl4 和 C3H8作为 Si 源和 C 源，这两种原料分别在 Ar 和 H2 的携带下各 自注入反应室，在2000 oC 生长。该方法生长速率高，获得的单晶电子 陷阱少，电学性质好。SiC 块材单晶的制备 2004 年，日本丰田 中央研究实验室的 Nakamura 等人在 《Nature》杂志中称， 他们找到了锻制碳 化硅晶体的新方法， 使碳化硅晶片成本 低、用途广、性能 更可靠。他们提出 了“重复a面生长法 (RAF) ”。SiC 块材单晶的制备 把 {11 20} 和{1 1 00} 称为 a 面， 把? 11 20 ?和 ? 1 1 00 ? 称为 a 轴。? 步骤 1：沿着生长方向，获得继承了籽晶的具有高密度位 错的晶体。 ? 步骤 2: 由于大多数位错以垂直于第一次 a 面生长方向的方 式存在，获得的晶体其表面的位错数量大幅度减少。因此， 第二次 a 面生长继承了少量的位错。 ? 步骤 3: 由于堆垛层错只在垂直于 c 轴的方向被继承，通过 c 面生长消除在前述生长过程中产生的堆垛层错。研究表明，用该方法生长的SiC单晶比常规方法生长的SiC单 晶结晶性大幅度改善，表面腐蚀坑密度大幅度降低。用该材 料制备的PiN管可靠性得到大幅度的提高。SiC 薄膜的制备 主要方法 ? 升华法 ? 液相外延法 ? 溅射法 ? 脉冲激光沉积 ? 分子束外延 ? 化学气相沉积SiC 薄膜的制备1. 升华法 升华法通常使用固态源，生长速率很高 (400μm/h)，远超 过其它方法的生长速率，但生长的薄膜均匀性不好并且尺 寸较小。2. 液相外延法 该方法通常使用熔体硅作为溶剂，以碳作为溶质，形成SiC 的过饱和溶液。在生长过程中，生长层和过饱和层保持热 平衡状态，用液相外延法生长的 SiC 单晶薄膜质量好，具 有较高的载流子霍尔迁移率和较低的微管缺陷密度和深能 级密度，具有较好的光学性能，SiC 蓝光二极管材料就是用 液相外延法生长的。液相外延的缺点是不容易实现大批量 生产，掺杂较为困难。SiC 薄膜的制备 3．溅射法 溅射的原理是向真空系统中充入少量所需要的气体(Ar, N2等)。 气体分子在强电场作用下电离而产生辉光放电。气体电离产 生大量带正电荷的离子受电场加速而形成高能量的离子流， 它们撞击在阴极表面，使阴极表面的原子飞溅出来，以自由 原子形式或以与反应性气体分子形式与剩余气体分子形成化 合物的形式淀积到衬底上形成薄膜层。SiC 薄膜的制备 4．脉冲激光沉积 将准分子激光器产生的强脉冲激光束聚焦在靶材表面，通过靶 材吸收激光束的能量，使其温度迅速升高到蒸发温度以上，形 成局域化的高浓度等离子体。该等离子体继续与激光束作用并 吸收激光束的能量，产生进一步电离形成高温高压等离子体。 高温高压等离子体经历一个绝热膨胀发射的过程迅速冷却，到 达靶对面的衬底后即在其上沉积成膜。 在Si(111)和Al2O3(0001)上外延了?-SiC 薄膜。 最佳生长条件 衬底的加热温度为 oC，激光能量 4050 mJ/脉冲；靶材能量密度0.5-1 J/cm2/脉冲；脉冲频率1-2 Hz； 本底真空 2×10-7 Pa。SiC 薄膜的制备 5．分子束外延 在超高真空(10-8Pa)条件下，精确控制蒸发源给出的中性分子 束流的强度，在基片上外延成膜的技术。生长在非热平衡条 件下完成，受动力学制约。生长温度低，生长速率慢，外延 薄膜质量好。一般的分子束外延系统都配有如反射高能电子 衍射(RHEED)之类的装置，为研究材料的具体生长细节提供 了条件。但分子束外延设备也存在一些缺点，如受反应源的 限制，无法制备所有材料；生长速率太慢，不适合工业化生 产等。SiC 薄膜的制备 6．化学气相沉积化学气相沉积 (CVD) 是借助空间气相化学反应在衬底表面 沉积固态薄膜的工艺技术。化学气相沉积的源物质可以是气态的也可以是固态或液态 的。 可以控制薄膜的组分及合成新的结构，可用来制备半导体、 金属和绝缘体等各种薄膜。 CVD 设备有多种类型，根据反应室的形状，可分为水平式 和立式；根据生长时的气压分为常压和低压；根据生长时 反应室的冷却状态，分为热壁和冷壁。SiC 薄膜的制备 独特的优势化学气相沉积(1)它是一种气相反应，可通过 精确控制各种气体的流量来精 确控制薄膜的厚度、组分和导 电类型。 (2)可制备大面积、高均匀性的 外延膜，适合于批量生产。 (3)灵活的气体源路控制技术使 生长过程自动控制，降低随机 因素，增加工艺重复性。目前，SiC 功率器件基 本都是用化学气相沉积 方法制备的 SiC 薄膜制 成的; 最成熟和成功的是CVD法SiC 薄膜的制备 (a) 水平热壁 (b) 烟囱热壁 (c) 垂直冷壁化学气相沉积(d) 行星式热壁常见CVD反应室示意图SiC 薄膜的制备 气源化学气相沉积? 上世纪八十年代初，水平冷壁石英管在Si衬底上获得单晶 3C-SiC 薄膜，使用的源气是 SiH4 和C3H8，H2 为载气 。 ? 为了降低温度，人们使用既含 Si 又含 C 的物质(如C3H3SiCl3 等)作为生长 SiC 的原料。 ? 无毒、非易燃的有机物 C7H20Si2 作为反应源，使用射频加 热的方式在 Si(100)衬底上于
oC之间沉积 3C-SiC 薄 膜。SiC 薄膜的制备 (a) 富Si，C 面 (b) 富C，C 面 (c) 富Si，Si 面 (d) 富C，Si 面化学气相沉积4H-SiC C 面和Si 面上不同源气比下的SiC薄膜的表面形貌SiC 器件研究 1．SiC 工艺技术(a)氧化：SiC能被氧化生成SiO2, SiC的氧化有热氧化(干氧和湿氧)、阳 极氧化和离子注入氧化。考虑到氧化膜质量和氧化速率，通常采用干 氧+湿氧+干氧相结合的方式。(b) 光刻：除了用化学刻蚀和热刻蚀使SiC微剖面成形外，还可用反 应离子刻蚀(RIE) 和微波电子回旋共振 (ECR) 等离子体刻蚀，后者产 生的等离子体活性高，密度大，能量小，对晶片表面造成的损伤小。 离子刻蚀后的损伤可通过退火消除。(c) 掺杂：(1)可通过SiC薄膜外延生长实现竞位外延。即利用N原子 占据SiC晶格中的碳位置，Al原子占据SiC晶格中的硅位置，通过改变 气体源中的Si/C比来有效控制杂质进入。(2) SiC材料化学稳定性高， 常用掺杂元素的扩散速度非常缓慢，高温扩散技术不适用，通常使用 离子注入。可通过注入剂量和离子能量精确控制掺入杂质的浓度、分 布和注入深度。B和N可以在室温注入，Al和P要在高温下采用Al+C和 N+P共注入实现，单一的注入Al或P效果不好，注入后形成的晶格损伤 可通过高温退火消除。SiC 器件研究(d) 金属化：(1) SiC的禁带宽，多数金属膜和SiC形成肖特基整流接触， 为了形成欧姆接触，要产生非常高掺杂的SiC表面层, 或者通过金属-半 导体接触的高温合金化退火。(2) 可以通过Al-Ti合金在p型SiC外延层上 形成欧姆接触；通过Ti、Ni、Ag合金蒸发在n型SiC上，而后高温合金化 形成欧姆接触，TiC也可以与n型SiC形成欧姆接触。 (e) 绝缘边技术与钝化：有场板技术、绝缘环、结终端扩展等。用作介 质和保护层的还有Si3N4, AlN,Al2O3等。SiC 器件研究2．主要 SiC 器件已实现商业化的有 ? 蓝光发光二极管(LED) ? 肖特基势垒二极管(SBD)蓝光LED是利用6H-SiC同时含有施主杂质氮和受主杂质铝时，与这两种杂 质有关的施主-受主对复合蓝色发光，其发光带的峰值波长约为470 nm。 SBD因为在半导体中没有少数载流子的储存，没有反向恢复电流，因此开 关速度快，开关损耗小。1992年，美国北卡大学功率半导体研究中心首次 报道了他们研制成功的阻断电压达400 V 的6H-SiC SBD。2001年，SiC SBD开始实现商业化，目前阻断电压高达1.2 kV的SiC SBD已经由Cree公 司投向市场。最近，Cree公司研制成功了超高功率(10 kV、50A)正向压降 为3.75 V的SiC PiN二极管。实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延连通式双反应室MOCVD系统实物图实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延不锈钢外壁石墨基座热 屏 蔽 罩 电源接口电源接口 石墨屏蔽层石墨加热器SiC 反应室的简化示意图实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延连通式双反应室MOCVD系统结构示意图实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 由于Si衬底价格便宜、质量高、单晶尺寸大，而3C-SiC在已 知SiC多型体中迁移率最高并且SiC的器件制作工艺可以与成 熟的Si器件工艺相兼容。因此在Si衬底上生长3C-SiC颇具商 业价值和应用成本优势 清洗衬底1. 分别使用四氯化碳、甲苯、丙酮和无水乙醇超声清洗 多次，以去除Si表面的有机物，然后用大量去离子水冲洗。2. 在 H2O:H2O2：浓H2SO4=8:1:1的混合液中浸泡10分钟， 以去除金属离子，再用大量去离子水冲洗。 3. 用 HF: H2O=1:20 的混合溶液浸泡 Si 衬底2分钟，以除 去Si表面的SiO2氧化层，再用大量去离子水冲洗。4. 用去离子水冲洗，接着快速用 N2 吹干。实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延生长温度对SiC薄膜生长的影响(a) 1150 oC (b) 1230 oC (c) 1270 oC20Intensity/a.u.Si (111)(a)Si (111) SiC (111)Intensity/a.u.Si (222)(b)SiC (111)1150 Co1230 C0SiC (222)30402? /deg.50607080 (c)203040(d) 1350 oCIntensity/a.u.2? /deg.50607080 (d)SiC (111) Si (111)0Si (111)Intensity/a.u.SiC (111)1270 CSiC (222)1350 C0Si (222) SiC (222)30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80202? /deg.2? /deg.不同生长温度下SiC薄膜的XRD谱实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延生长温度对SiC薄膜生长的影响10 8FWHM( )o6 4 2 50 o T( C) SiC薄膜的摇摆曲线半高宽和生长温度的关系实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延生长温度对SiC薄膜生长的影响(a) 1150 oC (b) 1230 oC (c) 1270 oC (d) 1350 oC不同生长温度下SiC薄膜的表面形貌实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延生长温度对SiC薄膜生长的影响1350 oC 生长温度下 SiC 薄膜的 (a) TED图，(b) HRTEM像实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延制备出的SiC薄膜之导电特性0.040Resistivity(?.cm)0.035 0.030 0.025 0.020 100 150 200 250 300Temperature(K)SiC 薄膜的电阻与温度关系图实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延制备出的SiC薄膜之导电特性8 50hall mobility carrier concentration640?H (cm /V.s)3020 2 100 100 150 200 250 3000Temperature(K)SiC薄膜的迁移率、载流子浓度与温度关系1924n(10 /cm )3实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延随着温度的升高，SiC薄膜的电阻率下降，电导率升高。该实验结果和K. Sasaki [1]等人的结果相反，而和M. Eickhoff [2]等人的纳米晶的结果相似。 并且该样品的电导率比以上两个小组的电导率都大，说明我们的样品非 掺杂现象严重，非掺杂浓度较高。进一步的测试表明薄膜的室温载流子 浓度为2×1019/cm3，载流子迁移率为20 cm2/V.s。 室温载流子浓度较大进一步说明了薄膜中由杂质和缺陷态引起的非掺杂施 主浓度较高；而20 cm2/V.s的载流子迁移率低于文献上常见的载流子迁移 率的数值(100-200 cm2/V.s)，远低于理想的3C-SiC迁移率(1000 cm2/V.s)， 说明薄膜中存在的杂质、缺陷态和晶界等对载流子的迁移率存在较大影响。 由载流子浓度和霍尔迁移率随温度的变化关系可知，他们的变化规律和 经典的半导体理论不符，这些现象的起因目前还不太清楚，可能和薄膜 中存在的大量深能级中心和缺陷态有关。 [1] K. Sasaki, et al, Appl. Phys. Lett., . [2] M. Eickhoff, et al, J. Appl. Phys., 08.半导体材料包括的内容（橙色是我们学到的部分）半导体中的电子状态 半导体中杂质能级 半导体中载流子的统计分布 半导体的导电性（载流子的输运现象） 半导体的霍耳效应 非平衡载流子 PN 结 金属和半导体接触 半导体表面和 MIS 结构 异质结 半导体的光学性质和光电与发光现象本章思考题一、试论述半导体材料的基本特征 二、何谓本征半导体、杂质半导体？举例说明之。 三、设本征半导体的禁带宽度为Eg，试推导本征载流子浓 度随温度的变化规律。 四、简述直接带隙半导体和间接带隙半导体的特点。 五、试推导当半导体中同时存在两种载流子情况下霍耳系 数与载流子浓度之间的关系，并讨论对于 n 型和 p 型 半导体霍耳系数随温度的变化行为。 六、何谓非平衡载流子，试举例说明测量非平衡载流子寿 命的方法。 七、简述P-N结形成过程以及P-N结的导电特性。
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