寬禁帶材料的發(fā)展

1、3/3寬禁帶半導(dǎo)體材料及其器件應(yīng)用新發(fā)展摘要:近幾年以C為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料以其寬的禁帶寬度、高的擊穿場強、高飽和漂移速度和高熱導(dǎo)率，小介電常數(shù)和高的電子遷移率，以及抗輻射能力強等特性而成為國內(nèi)外研究的熱點，更成為制作高頻、大功率、耐高溫和抗輻射器件的理想材料。文章綜述了i的材料特點、應(yīng)用以及iC材料發(fā)展現(xiàn)狀及末來發(fā)展趨勢。關(guān)鍵字:S 寬禁帶材料1特點SiC是寬帶隙半導(dǎo)體，室溫下帶隙為2。39eV （C-SiC）.33eV（SiC）。通過對能帶結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn),它們所有的價帶-導(dǎo)帶躍遷都有聲子參與，也就是說這些類型的Si半導(dǎo)體都是間接帶隙半導(dǎo)體。碳化硅獨有的力學(xué),光學(xué)，電學(xué),和熱屬性使它在各

2、種技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。i是目前發(fā)展最為成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料,它有效的發(fā)光來源于通過雜質(zhì)能級的間接復(fù)合過程因此,摻入不同的雜質(zhì),可改變發(fā)光波長，其范圍覆蓋了從紅到紫的各種色光.實驗上發(fā)現(xiàn)iC與氮化物可形成一種穩(wěn)定單晶結(jié)構(gòu)的固溶體，晶格常數(shù)與6HSi基本匹配，當(dāng)組分x達到一定值時，將發(fā)生間接帶隙向直接帶隙的轉(zhuǎn)變。一旦變成直接帶隙,其發(fā)光性能將大幅變化，在短波長發(fā)光和超高亮度二極管方面有巨大的應(yīng)用潛力.同時SC具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料。2。國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀iC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，Si

3、器件能耐高溫(50度以上）、高電壓（20V以上），具有功率大、電流大、功耗小、頻率高等優(yōu)良特性，適用于大型電氣設(shè)備系統(tǒng)，軍用武器裝備系統(tǒng)等,其耐差環(huán)境的特性是其他材料無法比擬的。SiC藍光L是唯一商品化的SC器件,各種Si多型體的LD覆蓋整個可見光和近紫外光區(qū)域。6SiC純綠光(50n）的LE通過注入A或液相外延得到，藍光二極管是N-A雜質(zhì)對復(fù)合發(fā)光， 4H-SiC藍光二極管是雜質(zhì)對復(fù)合發(fā)光.美國ee公司是最早研究和生產(chǎn)iC晶體和晶片的公司，其研制的藍光LED發(fā)光中心為470nm,發(fā)光功率達到18微瓦。他們在19年到199年之間就可以生產(chǎn)2到英寸的SiC晶片.該公司后來同日本著名的日亞化學(xué)公司

4、合作生產(chǎn)藍光和紫光LED器件.最近幾年，歐盟和法國分別啟動基于iC的半導(dǎo)體器件重大項目，極大地推動了i研究在歐洲的進度Si作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表， 無論是單晶襯底質(zhì)量、導(dǎo)電的外延層和高質(zhì)量的介質(zhì)絕緣膜和器件工藝等方面，都比較成熟或有可以借鑒的iC器件工藝作參考, 由此可以預(yù)測在未來的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，C將擔(dān)任主角， 獨霸功率和微電子器件市場.我國在SiC單晶和基片研究方面落后國外到8年的時間.山東大學(xué)晶體材料國家重點實驗室利用自行設(shè)計的坩堝和溫場， 穩(wěn)定、重復(fù)地生長出了直徑大于50。8 m的6H Si晶體，晶體厚度大于20m.中國科學(xué)院物理研究所成功生長出直徑為50.8 mm、厚度

5、為25。4 m， 具有較高質(zhì)量的H多型Si單晶。除LD外， Si器件還處于研制階段。一方面SC材料,特別是3CSC中的各種缺陷影響器件性能,另一方面與器件相關(guān)的工藝使得SiC的優(yōu)勢尚未得到開發(fā).表1是iC發(fā)展概況.表1 SiC發(fā)展概況從材料本身出發(fā)來講,4H- Si由于處于自由排列狀態(tài)而具有比氮化鎵更顯著的優(yōu)點,雖然它僅作為一個重摻雜的N型襯底。目前，它是一種非常昂貴的材料,由生產(chǎn)的i晶圓設(shè)備的費用高達等效硅晶片價格的50倍。雖然這是不現(xiàn)實的，由于材料在完整的設(shè)備或系統(tǒng)中的成本,相對于如制造，外延,包裝,配送費用等單個成本往往較低。通常,額外的成本可以在提高系統(tǒng)的整體效率,減少了系統(tǒng)的體積，重

6、量,或降低其冷卻要求方面考慮。然而,基于碳化硅晶圓變得更具成本競爭力，碳化硅晶圓尺寸以及每片晶圓設(shè)備產(chǎn)量器件都在增加。100nm晶圓現(xiàn)在無處不在，50m晶圓也開始商業(yè)化。此外，由于大幅度提高產(chǎn)量,材料的質(zhì)量與十多年前相比是無法識別。所謂的“致命缺陷” 微管 現(xiàn)在在優(yōu)質(zhì)材料中已經(jīng)被根除，而促進雙極型器件的正向電壓漂移的基底面位錯正在減少，但對于要實現(xiàn)長載流子壽命必要的電導(dǎo)率調(diào)制雙極型器件來說仍然太高。無論如何，SiC器件的最近商業(yè)化可以歸因于在材料質(zhì)量的大量提高。在高電壓下，功率器件（功率MOSFET ,GB，晶閘管等）的導(dǎo)通電阻是由它的漂移區(qū)的電阻決定的。對于一個給定的阻斷電壓,寬禁帶設(shè)備可以

7、做成更薄的漂移區(qū)，利用其更大的臨界電場。然而，在低于1200 時隨著電壓的降低，它是溝道區(qū)電阻將在SiC器件中起主導(dǎo)作用，其中在i/i02界面的載流子遷移率仍然是一個長期懸而未決的問題。高的界面陷阱，通常比在Si/i0接口高23個數(shù)量級，導(dǎo)致電荷俘獲和增加了通常把反型溝道遷移率降低到約140 m2/Vs的庫倫散射。后氧化退火的N20和NO，最近達到12 /V的遷移率。在每一種情況下，似乎是氮和磷等n型摻雜劑,被消極缺陷的氧化物界面，降低界面態(tài)的密度.有限的溝道遷移率在低電壓操作的OFE器件中阻止碳化硅及其材料的限制,由于它們沒有界面,所以呈現(xiàn)出一些優(yōu)勢盡管它們也面臨著各自的挑戰(zhàn).在JFET中

8、，非常窄的n型源漏極通道可以被看作是由一個p型柵包圍，因此電流可通過表面形成的天然夾斷耗盡區(qū)進行控制.這個設(shè)備的結(jié)構(gòu)的顯著缺點就是,它是一個常開裝置，需在柵極加負電壓。因此，集成了一個常開JFET成安全關(guān)鍵系統(tǒng).該改變將JFET結(jié)構(gòu)為常開器件的修改需要非常窄的低摻雜通道,因此重新引入顯著的通態(tài)損耗。碳化硅雙極型晶體管不遭受與C MFT或JFETs相同的電阻問題，因為他們不依賴于任何形式的溝道。與之形成鮮明對比的硅，碳化硅雙極型器件具有很大的提高增益，并顯示非?？斓拈_關(guān)速度。這是由于iC的載流子壽命比較低，由于材料內(nèi)的大量點缺陷的增加了電子 空穴復(fù)合率.載流子壽命長是一個折衷的功率器件，并在碳化

9、硅雙極型器件來說最好是缺陷密度減少。這將允許電導(dǎo)調(diào)制漂移區(qū)，用低的導(dǎo)通電阻為非常高的電壓器件SIC單極型器件打開門。所述的碳化硅位的幾個缺點是,因為該位是一個電流驅(qū)動裝置，額外的功率消耗在驅(qū)動電流路徑和控制電路也比在電壓驅(qū)動器件如MOSFET的更復(fù)雜.碳化硅在高溫下具有優(yōu)異的憑證,由于這種材料的WG表示的熱水平呈現(xiàn)的Si在200成幾乎變成類似金屬的狀態(tài)，對碳化硅直到超過100也不會發(fā)生。這結(jié)合了極好的熱傳導(dǎo)性，也就是說,Si器件可以很容易地驅(qū)散電源開關(guān)所產(chǎn)生的熱量。阻止使用SiC功率器件在溫度超過175的S電流限制的最大挑戰(zhàn)是設(shè)備包裝，引線鍵合,設(shè)備安裝和模塊本身都需要相同的溫度額定值。3應(yīng)用

10、SiC材料的第三種用途是用于制造半導(dǎo)體的高純度單晶材料,材料的生長和器件的制備是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè).與硅（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，Si半導(dǎo)體材料是第三代半導(dǎo)體材料,具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點,如表1所示,可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，因而是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最有前景的材料之一.利用其良好的導(dǎo)熱性，iC器件應(yīng)用在航空、航天探測、核能開發(fā)、衛(wèi)星、石油和地?zé)徙@井勘探、汽車發(fā)動機等需要高溫（35050)的工作環(huán)境中；利用其寬禁帶和高化學(xué)穩(wěn)定性，iC器件被應(yīng)用在抗輻射領(lǐng)域；利用其高電子飽和漂移速度,高頻和

11、微波SiC器件具有不可替代的優(yōu)勢；利用其具有大的擊穿電場,高功率i器件在雷達、通信和廣播電視領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景.此外，由于iC晶體與氮化鎵(Ga）晶體在晶格和熱膨脹系數(shù)上相匹配，以及其具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率，SiC半導(dǎo)體晶片也成為制造大尺寸、超高亮度白光和藍光aNLE(ligheitigdo,發(fā)光二極管）和L（lserdiode，激光二極管)的理想襯底材料,成為光電行業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料之一。4.未來發(fā)展趨勢目前曾長期困擾SiC材料發(fā)展的微孔問題已基本解決,SC材料發(fā)展的方向是在不斷降低位錯和缺陷密度的同時盡快生長出更大尺寸的SiC單晶襯底.這就需要通過改善單晶生長設(shè)備并進行熱場分析,通過研究位錯和缺陷形成機理不斷降低SiC材料的位錯和缺陷密度，通過改進單晶生長技術(shù)來降低成本等.iC器件將大舉進入電子電力市場，預(yù)計到200年，iC功率器件將分別獲得和8的市場份額.未來電子電子器件市場發(fā)展將更多集中到技術(shù)創(chuàng)新上。5總結(jié)近二十年來碳化硅材料由于起許多優(yōu)勢開始被重視，由于碳化硅器件設(shè)計理論有所突破,人們對高性能的半導(dǎo)體器件的期望越來越迫切。隨著效率的潛在收益的增加，寬禁帶材料的功率密度使最終溶液減小尺寸和重量，在更高的開關(guān)速度。在寬禁帶區(qū)能被普遍接受的觀點是阻斷120以上的電壓碳化硅會更強，iC會在效率，溫度和功率密度備受關(guān)注的應(yīng)用中找到自己位置,因此額外成本