SiC材料及器件VIP免费

1 § 6 SiC 材料及器件 § 6.1 SiC 材料简介 无论是半导体分立元器件还是集成电路，第一代元素半导体材料Si 都是当今微电子器件的主要基底材料，Si 器件占据着当今微电子器件领域的绝大部分市场份额。除Si 外，以GaAs、为代表的第二代化合物半导体也有着广泛的应用。然而，Si 器件也有着它应用的局限性。硅材料是间接带隙，带隙宽度较小，只有 1.1 eV。这样的带隙宽度决定了当温度较高时，由热激发的本征载流子浓度超过由掺杂引起的杂质载流子浓度，使得 Si 成为本征半导体，掺杂特性消失，从而器件不能正常工作。Si 的热导率也较低(1.5 W/cm.K)，Si 器件散热慢，限制了其在功率器件中的应用。此外，Si 的化学稳定性也一般。Si 材料的这些局限性使得它难以在高于 250 oC 的环境下正常工作，尤其在高频、大功率以及强辐射等极端条件下，硅器件就更难以胜任。GaAs 的禁带比 Si 稍宽，有利于制作需要在较高温度下工作的器件，但其热导率较低，不适合制作电力电子器件，难以在大功率和强辐射等极端条件下工作。 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。在第三代半导体材料中，SiC 和 GaN 已经从材料研究阶段逐步进入器件研究阶段，基于这两种材料的部分器件(如 LED)已经实现商品化。相对于 GaN，SiC 的导热系数明显提高，而且 SiC 单晶材料更容易获得，价格也相对较低，因此在高温和大功率领域SiC 更有优势。SiC 具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率和高载流子饱和速率等特性，其品质因数远远超过了 Si 和GaAs(如表 6 所示)，因而成为制造高功率器件、高频器件、高温器件和抗辐照器件最重要的半导体材料。除了利用 SiC 优良的电性质制作半导体器件外，SiC 良好的力学性能和光学性能还可以用来制作宇航用光学反射镜。 与硅 (Si)及砷化镓（GaAs）相比，SiC 具有宽禁带（Si 的3 倍）、高热导率（Si 的3.3倍）、高击穿场强(Si 的10 倍)、高饱和电子漂移速率(Si 的2.5 倍)以及高键合能等优点。所以SiC 特别适合于制造高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件。SiC 器件可用于人造卫星、火箭、雷达与通讯、战...