最新SiC材料的特性及應(yīng)用

1、SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的特性及應(yīng)用 2004.11.15 SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的發(fā)展史話(huà)材料的發(fā)展史話(huà) SiC材料的特性及應(yīng)用材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的制備方法材料的制備方法 小結(jié)小結(jié) SiC材料的特性及應(yīng)用 Silicon Carbide Technology(SiC) Why a new Technology? Si has served wonderfully well as a semiconductor for most applications Si devices fail to operate at high temperatures of aro

2、und 300C Since Si is a small band gap material, sufficiently high breakdown voltages cannot be applied SiC材料的特性及應(yīng)用 SiCs superior Performance SiC is especially useful for: High Temperature Environment High Radiation conditions High Voltage switching applications High power Microwave applications SiC材

3、料的特性及應(yīng)用 SiC is superior compared to Si because: It has exceptionally high Breakdown electric field Wide Band gap Energy High Thermal conductivity High carrier saturated velocity SiC材料的特性及應(yīng)用 起初起初Acheson錯(cuò)誤地認(rèn)為這種材料是錯(cuò)誤地認(rèn)為這種材料是C和和Al的化的化 合物，他的目的是想尋找一種材料能夠代替金剛石合物，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)和其

4、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(zhuān)利，將這種產(chǎn)品稱(chēng)為年申請(qǐng)了專(zhuān)利，將這種產(chǎn)品稱(chēng)為“Carborundum”。 SiC材料的特性及應(yīng)用 開(kāi)辟了開(kāi)辟了SiC材料和器件研究的新紀(jì)元，此后，有關(guān)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(kāi)，并且于的研究工作全面展開(kāi)，并且于1958年在年在Boston召開(kāi)召開(kāi) 了第一屆了第一屆SiC會(huì)議。會(huì)議。 但是，但是，Si技術(shù)的成功以及迅猛發(fā)展，使得人們對(duì)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，即的研究興

5、趣下降，這一時(shí)期的研究工作，即60年代年代 中期到中期到70年代中期，主要在前蘇聯(lián)進(jìn)行，在西方一些年代中期，主要在前蘇聯(lián)進(jìn)行，在西方一些 國(guó)家，國(guó)家，SiC的研究工作僅處于維持狀態(tài)。的研究工作僅處于維持狀態(tài)。 SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的發(fā)展史話(huà) 1824年年,瑞典科學(xué)家瑞典科學(xué)家Berzelius(17791848)在人工合成在人工合成 金剛石的過(guò)程中就觀察到了金剛石的過(guò)程中就觀察到了SiC； 1885年年Acheson(18561931)首次生長(zhǎng)出了首次生長(zhǎng)出了SiC晶體晶體 (Carborundum)； 1905年，法國(guó)科學(xué)家年，法國(guó)科學(xué)家Moissan(18521907)在美國(guó)

6、在美國(guó) Arizona的的Dablo大峽谷隕石里發(fā)現(xiàn)了天然的大峽谷隕石里發(fā)現(xiàn)了天然的SiC單晶單晶 (Moissanite)； 1907年，英國(guó)電子工程師年，英國(guó)電子工程師Round(18811966)制造出了制造出了 第一只第一只SiC的電致發(fā)光二極管；的電致發(fā)光二極管； SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的發(fā)展史話(huà) 1955年，年，Lely發(fā)明了一種采用升華法生長(zhǎng)出高質(zhì)量單發(fā)明了一種采用升華法生長(zhǎng)出高質(zhì)量單 晶體的新方法；晶體的新方法；(轉(zhuǎn)折點(diǎn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)) 1978年，俄羅斯科學(xué)家年，俄羅斯科學(xué)家Tairov和和Tsvetkov發(fā)明了改良的發(fā)明了改良的 Lely法以獲得較大晶體的法以獲得較大晶

7、體的SiC生長(zhǎng)技術(shù)；生長(zhǎng)技術(shù)；(里程碑里程碑) 1979年，成功制造出了年，成功制造出了SiC藍(lán)色發(fā)光二極管；藍(lán)色發(fā)光二極管； 1981年，年，Matsunami發(fā)明了發(fā)明了Si襯底上生長(zhǎng)單晶襯底上生長(zhǎng)單晶SiC的工的工 藝技術(shù)，并在藝技術(shù)，并在SiC領(lǐng)域引發(fā)了技術(shù)的高速發(fā)展；領(lǐng)域引發(fā)了技術(shù)的高速發(fā)展； 1987年，年，Cree Research成立，成為了第一個(gè)銷(xiāo)售成立，成為了第一個(gè)銷(xiāo)售SiC單單 晶襯底的美國(guó)公司。晶襯底的美國(guó)公司。 SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的特性及應(yīng)用 .SiC for High Power,High Temperature Electronics SiGaAs

8、3C-SiC6H-SiC4H-SiC 晶格常數(shù)晶格常數(shù)()5.435.654.35963.081 15.0923.081 10.061 熔點(diǎn)熔點(diǎn)(K)14201235210021002100 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性GoodFairExcellen t ExcellentExcellent 帶寬帶寬(eV)1.111.432.233.023.26 最高工作溫度最高工作溫度(K)600760125015801580 電子遷移率電子遷移率(cm2VS)1500850010004001140 空穴遷移率空穴遷移率(cm2VS)600400505050 飽和電子速率飽和電子速率(107cms)1.01.02.

9、22.02.0 臨界電場(chǎng)臨界電場(chǎng)(106Vcm)0.30.62.03.23.0 介電常數(shù)介電常數(shù)11.812.59.7109.6 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率(WcmK)1.50.464.94.94.9 SiC與與Si和和GaAs的有關(guān)參數(shù)的對(duì)比的有關(guān)參數(shù)的對(duì)比 SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC的這些性能使其成為高頻、大功率、耐高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(cè)及航空、反應(yīng)堆系統(tǒng)的監(jiān)控、原油勘探、環(huán)境檢測(cè)及航空、 航天、雷達(dá)、通訊系統(tǒng)及汽車(chē)馬達(dá)等領(lǐng)域的極端環(huán)航天、雷達(dá)、通訊系統(tǒng)及汽

10、車(chē)馬達(dá)等領(lǐng)域的極端環(huán) 境中。境中。 SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的特性及應(yīng)用 .Polytypism in SiC 3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC SiC材料的特性及應(yīng)用 3C-SiC SiC材料的特性及應(yīng)用 6H-SiC SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的特性及應(yīng)用 .Dopant Considerations 雜質(zhì)摻入量過(guò)大導(dǎo)致了非晶或多晶的形式，深雜質(zhì)摻入量過(guò)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)。利于器件的設(shè)計(jì)。 SiC材料常用材料常用n型摻雜劑為型摻雜劑為N(N2,NH3

11、)，p型摻雜型摻雜 劑為劑為Al，也有用，也有用B的，幾乎都用生長(zhǎng)過(guò)程中引入摻的，幾乎都用生長(zhǎng)過(guò)程中引入摻 雜劑的原位摻雜方式，個(gè)別用離子注入。雜劑的原位摻雜方式，個(gè)別用離子注入。 SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的特性及應(yīng)用 .Oxidation of SiC SiC體材料具有很高的抗氧化性，因?yàn)樵隗w材體材料具有很高的抗氧化性，因?yàn)樵隗w材 料的氧化過(guò)程中會(huì)在氧化界面形成料的氧化過(guò)程中會(huì)在氧化界面形成SiO2層，從而層，從而 阻止了氧化的進(jìn)行。阻止了氧化的進(jìn)行。 2SiC+3O2=2SiO2+2CO SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的特性及應(yīng)用 . Ohmic Contacts to Si

12、C 在在SiC大功率器件中，大功率器件中，SiC和金屬間的歐姆接觸電和金屬間的歐姆接觸電 阻的大小直接影響到阻的大小直接影響到SiC大功率器件性能的優(yōu)劣，如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，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(guò)高。引起器件因發(fā)熱而溫度過(guò)高。 SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的特性及應(yīng)用 .SiC Light Emitting Diodes 根據(jù)根據(jù)SiC在低溫下可以發(fā)射藍(lán)光的性質(zhì)，已經(jīng)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)光二極管成功制作了藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)。但是，。但是，SiC是是 間接帶

13、隙半導(dǎo)體材料，所制成的間接帶隙半導(dǎo)體材料，所制成的LED的發(fā)光效率的發(fā)光效率 非常低。非常低。 電化學(xué)腐蝕處理電化學(xué)腐蝕處理 SiC 多孔多孔SiC SiC材料的特性及應(yīng)用 雖然早在雖然早在50年代就觀察到了年代就觀察到了SiC材料的電致發(fā)材料的電致發(fā) 光，并且光，并且SiC藍(lán)光發(fā)光二極管早已實(shí)現(xiàn)了商品化，藍(lán)光發(fā)光二極管早已實(shí)現(xiàn)了商品化， 但由于但由于SiC材料的生長(zhǎng)工藝技術(shù)還不夠成熟，材料的生長(zhǎng)工藝技術(shù)還不夠成熟，SiC的的 工藝技術(shù)，如高質(zhì)量工藝技術(shù)，如高質(zhì)量SiO2的制備、良好的歐姆接觸、的制備、良好的歐姆接觸、 圖形加工技術(shù)等還有待于開(kāi)發(fā)，圖形加工技術(shù)等還有待于開(kāi)發(fā)，SiC電子器件研制

14、電子器件研制 尚處于起步階段。尚處于起步階段。 SiC材料的特性及應(yīng)用 Comparison of Si and SiC devices under similar conditions SiC材料的特性及應(yīng)用 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管中高的注入效率異質(zhì)結(jié)雙極晶體管中高的注入效率 LED中發(fā)射藍(lán)光中發(fā)射藍(lán)光(商業(yè)應(yīng)用商業(yè)應(yīng)用) 寬帶隙寬帶隙 激光二極管激光二極管 抗輻射器件抗輻射器件 超低漏電流器件超低漏電流器件 晶格失配低晶格失配低 GaN、AlN的最理想的襯底材料的最理想的襯底材料 SiC器件的應(yīng)用領(lǐng)域：器件的應(yīng)用領(lǐng)域： SiC材料的特性及應(yīng)用 高壓大功率開(kāi)關(guān)二極管，可控硅高壓大功率開(kāi)關(guān)二極管，可

15、控硅 電力電子器件電力電子器件 IC高密度封裝高密度封裝 空間應(yīng)用的大功率器件空間應(yīng)用的大功率器件 高擊穿電場(chǎng)高擊穿電場(chǎng) 高的熱導(dǎo)率高的熱導(dǎo)率 良好散熱的大功率器件良好散熱的大功率器件 高的器件集成度高的器件集成度 SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的制備方法 .SiC Substrate Crystal Growth SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的特性及應(yīng)用 無(wú)論無(wú)論Lely法還是改良的法還是改良的Lely法生長(zhǎng)的單晶幾乎法生長(zhǎng)的單晶幾乎 都是六方結(jié)構(gòu)的都是六方結(jié)構(gòu)的4H、6H-SiC，而立方，而立方SiC中載流中載流 子遷移率較高，更適合于研制微電子器件，但至子遷移率較高，更適合于研

16、制微電子器件，但至 今尚無(wú)商用的今尚無(wú)商用的3C-SiC體單晶，另外，體單晶，另外，SiC體單晶在體單晶在 高溫下高溫下(2200C)生長(zhǎng)，摻雜難于控制，晶體中生長(zhǎng)，摻雜難于控制，晶體中 存在缺陷，特別是微管道缺陷無(wú)法消除，并且存在缺陷，特別是微管道缺陷無(wú)法消除，并且SiC 體單晶非常昂貴，于是發(fā)展了多種外延體單晶非常昂貴，于是發(fā)展了多種外延SiC的方法。的方法。 SiC材料的特性及應(yīng)用 SiC材料的制備方法 .SiC Thin Film Epitaxy SiC外延的方法主要有：磁控濺射法外延的方法主要有：磁控濺射法(sputting)、 激光燒結(jié)法激光燒結(jié)法(Laser ablation)、升華法、升華法(sublimation epitaxy)、液相外延法、液相外延法(LPE)、化學(xué)氣相沉積、化學(xué)氣相沉積(CVD) 和分子束外延法和分子束外延法(MBE)等。等。 SiC材料的特性及應(yīng)用 小結(jié) SiC是非常有潛力的材料，它所具有的卓越性是非常有潛力的材料，它所具有的卓越性 能使其成為高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導(dǎo)能使其成為高頻、大功率、耐高