新型半导体材料碳化硅分析研究 材料学专业VIP免费

新型半导体材料碳化硅摘要随着半导体器件的飞速发展，第一、二代半导体材料在高温、辐射和高频率下工作特性都不能满足需求，而新型半导体材料——SiC的出现改变了这一局面。本文主要阐述了碳化硅宽禁带半导体材料的结构性质及重要应用，并分析了制备碳化硅材料的主流方法，最后讨论了我国碳化硅材料和器件的发展现状及其存在的机遇与挑战。关键词:SiC第三代半导体引言SiC作为第三代半导体材料，它的禁带宽度高达3.25eV,不仅击穿电场强度高，而且电子饱和速率和热导率都很高，这些优越性质使SiC器件能在高温、高电压、高频率状态下可靠运行，同时在保证高运行能力的情况下消耗最少的电能。2016年碳化硅的电子市场规模就已经达到近3亿美元，毫无疑问，碳化硅将在5G通信、新能源汽车、产业转型等方面发挥重要作用，占据更广阔的宽禁带半导体市场。一、碳化硅的结构与性质碳化硅是C和Si组合中唯一稳定的化合物，从晶体化学的角度来看，每个Si（C）原子与周边包围的C（Si）原子通过定向强四面体sp3键结合，并有一定程度的极化，很低的层错形成能量决定了SiC的多型体现象，六角密排4H-SiC、6H-SiC和立方密排的3C-SiC比较常见并且不同的多型体具有不同的电学性能与光学性能。通过对比硅和碳的电负性确定SiC晶体具有很强的离子共价键,原子化能值达到125okJ/mol，表明SiC的结构、能量稳定。此外，sic还有高达1200—1430K的德拜温度。因此，SiC材料对各种外界作用有很高的稳定性，在力学、热学、化学等方面有优越性。与Si相比，SiC的禁带宽度为其2-3倍，同时具有其4.4倍的热导率，8倍的临界击穿电场，2倍的电子饱和漂移速度，这些优异性能使其成为在航天航空、雷达、环境监测、汽车马达、通讯系统等应用中生产耐高温、高频、抗辐射、大功率半导体器件材料的不二选择，特别是SiC发光二极管的辐射波长广，在光电集成电路中具有广阔的应用前景。二、SiC的制备及原理SiC很早已被发现，由于它化学和物理稳定性高，过去很长的时问内仅在工业中作为研磨和切割材料。SiC在超过1800℃时才升华分解，高温生长单晶和化学机械处理都十分困难，SiC晶体的主要制备方法有：Acheson法(1891年)，Lely法(1955年)，改良Lely法(1978年)。最早使用Lely法——升华再结晶工艺生长SiC单晶，用感应加热法将装有多晶SiC粉末的多孔石墨管加热到2500℃，在惰性气体（氩气）环境中升华出SiC，生成六角形状的、大小和结晶类型不定但直径很小、杂质含量较高的单晶板块。商业生产常用改良LeLy法（PVT法。前苏联的Tairov等人使用SiC籽晶来控制所生长晶体的构型，生长出直径为8mm、长8mm的6H-SiC单晶。PVT法主要用来生长尺寸较大的单晶。该过程生长速度与汽相饱和度成正比，通过汽相输运使SiC原子在籽晶上生成单晶。其优点在于克服了Lely法自发成核生长的缺点，而且生长温度和压力有所降低。此外，在高温下生长SiC晶体时难以控制掺杂，晶体中的微管道缺陷无法消除，现在已经研究出几种外延SiC的方法如溅射法，激光烧结法，液相外延法，化学气相淀积和分子束外延法等。目前都是使用外延簿膜SiC材料制造器件。高温化学气相淀积（HTCVD）使用气态的高纯碳源和硅源，生长速率高于PVT法，成本更低，电阻率很高，通过控制通入的氮或硼的流量就可控制晶体导电强弱。三、国内SiC材料技术发展情况由于SiC单晶材料和外延设备的限制，上世纪七十年代中国才开始对碳化硅晶体进行深入研究。在国家973计划和863计划的支持下，中科院物理研究所、西安电子科技大学、山东大学、中电46所等重要机构启动了“宽禁带半导体SiC基础研究”、“SiC高频高温功率器件”和“SiC单晶衬底制备”等项目。虽然目前与国际先进水平相比，我国仍有很大差距，但是山东大学研制出的SiC单晶生长加工和单晶炉技术在国内遥遥领先。目前我国已成功掌握4英寸SiC单晶生长技术，2、3英寸SiC衬底已进行量产，各大研究机构正在重点研究6英寸SiC衬底的制备技术以及低位元错密度、大面积的SiC外延技术。西安电子科技大学已经通过外延生长法成功制得并测试证明6环SiC的品格结构情况，同时在材料性质、载流子输运展开理论和实验研究上取得重大进展。国内通过自行研制、或引进生产...