SiC材料的特性及應(yīng)用

SiC材料的特性及應(yīng)用顏小琴2004.11.151精選2021版課件SiC材料的發(fā)展史話SiC材料的特性及應(yīng)用SiC材料的制備方法小結(jié)2精選2021版課件SiliconCarbideTechnology(SiC)WhyanewTechnology?SihasservedwonderfullywellasasemiconductorformostapplicationsSidevicesfailtooperateathightemperaturesofaround300oCSinceSiisasmallbandgapmaterial,sufficientlyhighbreakdownvoltagescannotbeapplied3精選2021版課件SiC’ssuperiorPerformanceSiCisespeciallyusefulfor:HighTemperatureEnvironmentHighRadiationconditionsHighVoltageswitchingapplicationsHighpowerMicrowaveapplications4精選2021版課件SiCissuperiorcomparedtoSibecause:IthasexceptionallyhighBreakdownelectricfieldWideBandgapEnergyHighThermalconductivityHighcarriersaturatedvelocity5精選2021版課件起初Acheson錯(cuò)誤地認(rèn)為這種材料是C和Al的化合物，他的目的是想尋找一種材料能夠代替金剛石和其他研磨材料，用于材料的切割和拋光，他發(fā)現(xiàn)這種單晶材料具有硬度大、熔點(diǎn)高等特性，于1893年申請(qǐng)了專利，將這種產(chǎn)品稱為“Carborundum”。6精選2021版課件開辟了SiC材料和器件研究的新紀(jì)元，此后，有關(guān)SiC的研究工作全面展開，并且于1958年在Boston召開了第一屆SiC會(huì)議。但是，Si技術(shù)的成功以及迅猛發(fā)展，使得人們對(duì)SiC的研究興趣下降，這一時(shí)期的研究工作，即60年代中期到70年代中期，主要在前蘇聯(lián)進(jìn)行，在西方一些國家，SiC的研究工作僅處于維持狀態(tài)。7精選2021版課件SiC材料的發(fā)展史話1824年,瑞典科學(xué)家Berzelius(1779－1848)在人工合成金剛石的過程中就觀察到了SiC；1885年Acheson(1856－1931)首次生長出了SiC晶體(Carborundum)；1905年，法國科學(xué)家Moissan(1852－1907)在美國Arizona的Dablo大峽谷隕石里發(fā)現(xiàn)了天然的SiC單晶(Moissanite)；1907年，英國電子工程師Round(1881－1966)制造出了第一只SiC的電致發(fā)光二極管；8精選2021版課件SiC材料的發(fā)展史話1955年，Lely發(fā)明了一種采用升華法生長出高質(zhì)量單晶體的新方法；(轉(zhuǎn)折點(diǎn))1978年，俄羅斯科學(xué)家Tairov和Tsvetkov發(fā)明了改良的Lely法以獲得較大晶體的SiC生長技術(shù)；(里程碑)1979年，成功制造出了SiC藍(lán)色發(fā)光二極管；1981年，Matsunami發(fā)明了Si襯底上生長單晶SiC的工藝技術(shù)，并在SiC領(lǐng)域引發(fā)了技術(shù)的高速發(fā)展；1987年，CreeResearch成立，成為了第一個(gè)銷售SiC單晶襯底的美國公司。9精選2021版課件SiC材料的特性及應(yīng)用Ⅰ.SiCforHighPower,HighTemperatureElectronics

SiGaAs3C-SiC6H-SiC4H-SiC晶格常數(shù)(?)5.435.654.35963.08115.0923.08110.061熔點(diǎn)(K)14201235>2100>2100>2100熱穩(wěn)定性GoodFairExcellentExcellentExcellent帶寬(eV)1.111.432.233.023.26最高工作溫度(K)600760125015801580電子遷移率(cm2\V·S)1500850010004001140空穴遷移率(cm2\V·S)600400505050飽和電子速率(107cm\s)1.01.02.22.02.0臨界電場(106V\cm)0.30.62.03.23.0介電常數(shù)11.812.59.7109.6熱導(dǎo)率(W\cm·K)1.50.464.94.94.9SiC與Si和GaAs的有關(guān)參數(shù)的對(duì)比

10精選2021版課件SiC的這些性能使其成為高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導(dǎo)體器件的優(yōu)選材料，用于地面核反應(yīng)堆系統(tǒng)的監(jiān)控、原油勘探、環(huán)境檢測及航空、航天、雷達(dá)、通訊系統(tǒng)及汽車馬達(dá)等領(lǐng)域的極端環(huán)境中。11精選2021版課件SiC材料的特性及應(yīng)用Ⅱ.PolytypisminSiC3C-SiC6H-SiC4H-SiC12精選2021版課件3C-SiC13精選2021版課件6H-SiC14精選2021版課件SiC材料的特性及應(yīng)用Ⅲ.DopantConsiderations雜質(zhì)摻入量過大導(dǎo)致了非晶或多晶的形式，深的雜質(zhì)能級(jí)是不利的，不僅激活溫度高，而且也不利于器件的設(shè)計(jì)。SiC材料常用n型摻雜劑為N(N2,NH3)，p型摻雜劑為Al，也有用B的，幾乎都用生長過程中引入摻雜劑的原位摻雜方式，個(gè)別用離子注入。15精選2021版課件SiC材料的特性及應(yīng)用Ⅳ.OxidationofSiCSiC體材料具有很高的抗氧化性，因?yàn)樵隗w材料的氧化過程中會(huì)在氧化界面形成SiO2層，從而阻止了氧化的進(jìn)行。

2SiC+3O2=2SiO2+2CO16精選2021版課件SiC材料的特性及應(yīng)用Ⅴ.OhmicContactstoSiC在SiC大功率器件中，SiC和金屬間的歐姆接觸電阻的大小直接影響到SiC大功率器件性能的優(yōu)劣，如果接觸電阻太高，器件工作時(shí)的壓降及功耗增大，引起器件因發(fā)熱而溫度過高。17精選2021版課件SiC材料的特性及應(yīng)用Ⅵ.SiCLightEmittingDiodes根據(jù)SiC在低溫下可以發(fā)射藍(lán)光的性質(zhì)，已經(jīng)成功制作了藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)。但是，SiC是間接帶隙半導(dǎo)體材料，所制成的LED的發(fā)光效率非常低。電化學(xué)腐蝕處理SiC多孔SiC18精選2021版課件雖然早在50年代就觀察到了SiC材料的電致發(fā)光，并且SiC藍(lán)光發(fā)光二極管早已實(shí)現(xiàn)了商品化，但由于SiC材料的生長工藝技術(shù)還不夠成熟，SiC的工藝技術(shù)，如高質(zhì)量SiO2的制備、良好的歐姆接觸、圖形加工技術(shù)等還有待于開發(fā)，SiC電子器件研制尚處于起步階段。19精選2021版課件ComparisonofSiandSiCdevicesundersimilarconditions20精選2021版課件異質(zhì)結(jié)雙極晶體管中高的注入效率LED中發(fā)射藍(lán)光(商業(yè)應(yīng)用)寬帶隙激光二極管抗輻射器件超低漏電流器件晶格失配低GaN、AlN的最理想的襯底材料SiC器件的應(yīng)用領(lǐng)域：21精選2021版課件高壓大功率開關(guān)二極管，可控硅電力電子器件IC高密度封裝空間應(yīng)用的大功率器件高擊穿電場高的熱導(dǎo)率良好散熱的大功率器件高的器件集成度22精選2021版課件SiC材料的制備方法Ⅰ.SiCSubstrateCrystalGrowth

23精選2021版課件24精選2021版課件無論Lely法還是改良的Lely法生長的單晶幾乎都是六方結(jié)構(gòu)的4H、6H-SiC，而立方SiC中載流子遷移率較高，更適合于研制微電子器件，但至今尚無商用的3C-SiC體單晶，另外，SiC體單晶在高溫下(>2200°C)生長，摻雜難于控制，晶體中存在缺陷，特別是微管道缺陷無法消除，并且SiC體單晶非常昂貴，于是發(fā)展了多種外延SiC的方法。25精選2021版課件SiC材料的制備方法Ⅱ.SiCThinFilmEpitaxySiC外延的方法主要有：磁控濺射法(sputting)、激光燒結(jié)法(Laserablation)、升華法(sublimationepitaxy)、液相外延法(LPE)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和分子束外延法(MBE)等。26精選