無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)課件

無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC）一、概論；二、SiC材料的研究進(jìn)展；三、SiC的晶體結(jié)構(gòu)、特性；四、SiC的晶體的應(yīng)用前景；五、SiC薄膜的制備方法：

(1)物理氣象沉積法；

(2)化學(xué)氣象沉積法.六、Q&A.

目錄

碳化硅被譽(yù)為下一代半導(dǎo)體材料，因?yàn)槠渚哂斜姸鄡?yōu)異的物理化學(xué)特性，被廣泛應(yīng)用于光電器件、高頻大功率、高溫電子器件。SiC有高的硬度與熱穩(wěn)定性,穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),大的禁帶寬度,高的熱導(dǎo)率,優(yōu)異的電學(xué)性能。

SiC由Si原子和C原子組成，其晶體結(jié)構(gòu)具有同質(zhì)多型體的特點(diǎn)，在半導(dǎo)體領(lǐng)域最常見(jiàn)的是具有立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)的3C-SiC和六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的4H-SiC和6H-SiC。21世紀(jì)以來(lái)以Si為基本材料的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)已有長(zhǎng)足的發(fā)展，隨著MEMS應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，Si材料本身的性能局限性制約了Si基一、概論

國(guó)際上，SiC的發(fā)展至今經(jīng)歷了3個(gè)研究時(shí)期：第一是采用升華法制備SiC單晶來(lái)開(kāi)發(fā)各種器件的時(shí)期；第二是SiC的外延生長(zhǎng)等基礎(chǔ)研究時(shí)期；第三是接近于相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用要求的當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)時(shí)期。

SiC晶體的獲得最早是用Acheson工藝將石英砂與C混合放入管式爐中2600℃反應(yīng)生成，這種方法只能得到尺寸很小的多晶SiC。至1955年，Lely用無(wú)籽晶升華法生長(zhǎng)出了針狀3C-SiC孿晶，由此奠定了SiC的發(fā)展基礎(chǔ)。二、SiC材料的研究進(jìn)展20世紀(jì)80年代初Tairov等采用改進(jìn)的升華工藝生長(zhǎng)出SiC晶體，SiC作為一種實(shí)用半導(dǎo)體開(kāi)始引起人們的研究興趣，國(guó)際上一些先進(jìn)國(guó)家和研究機(jī)構(gòu)都投入巨資進(jìn)行SiC研究。20世紀(jì)90年代初，CreeResearchInc用改進(jìn)的Lely法生長(zhǎng)6H-SiC晶片并實(shí)現(xiàn)商品化，并于1994年制備出4H-SiC晶片。這一突破性進(jìn)展立即掀起了SiC晶體及相關(guān)技術(shù)研究的熱潮。目前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的SiC晶片只有4H-SiC和6H-SiC型，且均采用PVD技術(shù)，以美國(guó)CreeResearchInc為代表。采用此法已逐步提高SiC晶體的質(zhì)量和直徑達(dá)7.5cm，目前晶圓直徑已超過(guò)10cm，最大有用面積達(dá)到40mm2，微導(dǎo)管密度已下降到小于0.1/cm2?，F(xiàn)今就SiC單晶生長(zhǎng)來(lái)講，美國(guó)處于領(lǐng)先地位，俄羅斯、日本和歐盟(以瑞典和德國(guó)為首)的一些公司或科研機(jī)構(gòu)也在生產(chǎn)SiC晶片，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化。

SiC作為第三代半導(dǎo)體材料的杰出代表，由于其特有的物理化學(xué)特性成為制作高頻、大功率、高溫器件的理想材料。隨著SiC體材料的生長(zhǎng)和外延技術(shù)的成熟，各種SiC器件將會(huì)相繼出現(xiàn)。目前，SiC器件的研究主要以分立器件為主，仍處于以開(kāi)發(fā)為主、生產(chǎn)為輔的階段。圖3-1

3C-SiC立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)圖3-22H-SiC六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)圖3-3不同多型碳化硅在(1120)面上的堆疊序列

不同的SiC多型體在半導(dǎo)體特性方面表現(xiàn)出各自的特性。利用SiC的這一特點(diǎn)可以制作SiC不同多型體間晶格完全匹配的異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)和超晶格，從而獲得性能極佳的器件．其中6H-SiC結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，適用于制造光電子器件：p-SiC比6H-SiC活潑，其電子遷移率最高，飽和電子漂移速度最快，擊穿電場(chǎng)最強(qiáng)，較適宜于制造高溫、大功率、高頻器件，及其它薄膜材料(如GaN（氮化鎵）、金剛石等)的襯底和X射線的掩膜等。而且，β-SiC薄膜能在同屬立方晶系的Si襯底上生長(zhǎng)，而Si襯底由于其面積大、質(zhì)量高、價(jià)格低，可與Si的平面工藝相兼容，所以后續(xù)PECVD制備的SiC薄膜主要是β-SiC薄膜。

總結(jié)起來(lái)，SiC具有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：(1)高的硬度與熱穩(wěn)定性，可用于刀具涂層；(2)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在核反應(yīng)技術(shù)中用作核聚變堆等離子體的面對(duì)材料：(3)大的禁帶寬度，可作為光的短波長(zhǎng)區(qū)域發(fā)光材料。

例如，3C-SiC的Eg=2.2eV（半導(dǎo)體能隙），6H-SiC的Eg=2.9eV可分別用作綠色、藍(lán)色LED材料，目前SiC藍(lán)光LED已經(jīng)商品化；(4)高的熱導(dǎo)率，可作為超大規(guī)模集成電路和特大規(guī)模集成電路的熱沉材料，大大提高了電路的集成度；(5)優(yōu)異的電學(xué)性能，在功率器件、微波器件、高溫器件和抗輻射器件方面也具有廣泛的應(yīng)用前景。

薄膜質(zhì)量的高低將直接關(guān)系到其光電性能，進(jìn)而影響其在微電子以及硅基光電器件中的應(yīng)用，因此，制備高質(zhì)量的薄膜尤為重要，同時(shí)也是一項(xiàng)非常困難的工作。目前SiC薄膜的制備方法主要可分為物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積。五、SiC薄膜的制備方法

物理氣相沉積制備SiC薄膜主要包括濺射法、離子注入合成法和分子束外延法共三類。

①濺射法

濺射又可分為二極濺射、射頻濺射、磁控濺射等。(1)物理氣象沉積法磁控濺射法

毛旭等人用射頻磁控濺射法在Si(100)和玻璃襯底上制備出襯底溫度分別為300℃，450℃，600℃的碳化硅薄膜,并對(duì)薄膜進(jìn)行了拉曼光譜和原子力顯微鏡測(cè)試分析。結(jié)果表明,用濺射法在玻璃襯底上生長(zhǎng)出微晶SiC薄膜和在Si(100)襯底上生長(zhǎng)出立方碳化硅薄膜，并且薄膜材料的結(jié)晶度隨著襯底溫度的升高而改善。磁控濺射通過(guò)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，有效地利用了電子的能量，使正離子對(duì)靶材轟擊濺射更有效，所以它具有低溫、高速兩大特點(diǎn)。其淀積速率比一般濺射高一個(gè)數(shù)量級(jí)。但是磁控濺射不能實(shí)現(xiàn)磁性材料的低溫高速濺射，而且使用絕緣材料靶會(huì)使基板溫度上升。②離子注入合成法

由于在電子學(xué)技術(shù)方面可能廣泛應(yīng)用，在基板表面高劑量離子注入形成化合物是當(dāng)今材料科學(xué)研究者的一大課題。嚴(yán)輝等人用高劑量的碳離子注入單晶Si襯底，得到了SiC埋層，利用X射線光電子能譜，研究了SiC埋層中Si2P的特征能量損失譜。結(jié)果表明，Si2P的特征能量損失譜依賴于SiC埋層中C原子的濃度分布，并且與SiC埋層的有序度效應(yīng)。離子注入技術(shù)具有以下一些其它常規(guī)表面處理技術(shù)難以達(dá)到的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（1）它是一種純凈的無(wú)公害的表面處理技術(shù)；（2）無(wú)需熱激活，無(wú)需在高溫環(huán)境下進(jìn)行，因而不會(huì)改變工件的外形尺寸和表面光潔度；（3）離子注入層由離子束與基體表面發(fā)生一系列物理和化學(xué)相互作用而形成的一個(gè)新表面層，它與基體之間不存在剝落問(wèn)題；（4）離子注入后無(wú)需再進(jìn)行機(jī)械加工和熱處理。有利于薄膜單晶質(zhì)量的提高。分子束外延的優(yōu)點(diǎn)是：使用的襯底溫度低，膜層生長(zhǎng)速率慢，束流強(qiáng)度易于精確控制，膜層組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。用這種技術(shù)已能制備薄到幾十個(gè)原子層的單晶薄膜，以及交替生長(zhǎng)不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子阱微結(jié)構(gòu)材料。

利用化學(xué)氣相沉積法制備碳化硅材料具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，如可以用高純度的氣體反應(yīng)得到高純度的單晶體，并且生長(zhǎng)速度可以通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度和氣氛成分比例而得到控制。由CVD法制取SiC薄膜的反應(yīng)組分可以多種多樣，但大致可以分為三類：（1）硅化物（常常是SiH4(硅烷)和碳?xì)洌ɑ蚍┗?，如CH4(甲烷)、C2H4(乙烯)、C3H8

（丙烷）、CF4(四氟化碳)等，以及一些載氣（如H2、Ar等）；（2）含碳、硅化合物（如C)H3SiCl3(一甲基三氯硅烷）、Si（CH3）4和H2；（3）碳?xì)浠衔锖蜌錃狻８鶕?jù)反應(yīng)條件不同，CVD可分為PECVD，LPCVD以及熱絲CVD（HFCVD）等。(2)化學(xué)氣象沉積法①低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）CVD反應(yīng)室通常有熱壁型和冷壁型，前者用于放熱反應(yīng)，后者用于吸熱反應(yīng)。LPCVD相對(duì)普通CVD來(lái)說(shuō)，一方面基板溫度較低，避免了雜質(zhì)的擴(kuò)散和遷移；另一方面減少了雜質(zhì)氣體的污染，且無(wú)須運(yùn)載氣體，淀積速率增加，膜厚均勻性大大改善。Hurtós等人選擇Si(CH3)4(TMS)作為先驅(qū)體，H2為載氣，在垂直的冷壁反應(yīng)室里，在石墨基板表面沉積多晶SiC薄膜?；鍦囟仍?100～1500℃范圍，反應(yīng)室壓強(qiáng)在15～100Torr，隨著TMS分壓的增加，沉積速率亦提高。

王輝等人采用HFCVD技術(shù)在Si(111)襯底上生長(zhǎng)了SiC薄膜。通過(guò)電子能譜、X射線衍射和時(shí)間分辨光譜等分析手段對(duì)樣品結(jié)構(gòu)、組分進(jìn)行了分析。結(jié)果表明所制備的樣品為納米晶態(tài)SiC，并通過(guò)計(jì)算得到驗(yàn)證,對(duì)所制備樣品進(jìn)行光致發(fā)光特性測(cè)試,觀察到其在室溫下有較強(qiáng)的紫外發(fā)光。③等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)

由于一般的CVD沉積溫度高(多數(shù)都在900～1000℃甚至更高)，因而帶來(lái)了一系列問(wèn)題：如易引起基板的變形和組織的變化，降低基板材料的機(jī)械性能，基底材料與膜層材料在高溫下發(fā)生相互擴(kuò)散，兩者的結(jié)合力削弱。而輝光放電形成的等離子體在化學(xué)氣相沉積中能將反應(yīng)物中的氣體分子激活成活性離子，降低反應(yīng)溫度；并能加速反應(yīng)物在表面的擴(kuò)散，提高成膜速度，對(duì)基體及膜層表面具有濺射清洗作用，從而加強(qiáng)了薄膜與基板間的附著力，由于反應(yīng)物中的原子、分子、離子和電子的碰撞、