種典型半導(dǎo)體材料-SiC

1、,SiC半導(dǎo)體材料,目錄,1.SiC材料的簡(jiǎn)介 2.SiC襯底的制備 3.SiC外延制備方法 4.SiC光電器件的簡(jiǎn)介 5.SiC紫外探測(cè)器的制備 6.SiC光電器件的前景,1.SiC材料的簡(jiǎn)介,隨著第一代和第二代半導(dǎo)體材料發(fā)展的成熟，其器件應(yīng)用也趨于極限?，F(xiàn)代科技越來越多的領(lǐng)域需要高頻率，高功率，耐高溫，化學(xué)穩(wěn)定性好的第三代半導(dǎo)體。而作為第三代半導(dǎo)體優(yōu)秀代表的 SiC（silicon carbide），越來越多得受到人們的關(guān)注。,2.SiC材料的簡(jiǎn)介,唯一的固態(tài)的IV-IV化合物 天然的超晶格結(jié)構(gòu)、同質(zhì)多型體。 目前已發(fā)現(xiàn)200多種結(jié)構(gòu)，屬于三個(gè)晶系：立方（cubic）、六方（hexagon

2、）和斜方（rhombus），常見的主要是3C-SiC、 6H-SiC和4H-SiC。 可熱氧化，但氧化速率遠(yuǎn)低于Si,2.SiC襯底的制備,SiC單晶襯底： 本征型、N型摻雜、P型摻雜。 N型摻雜 ：氮N P型摻雜：鋁Al、硼B(yǎng)、鈹Be、鎵Ga、氧O。,2.SiC襯底的制備,物理氣相傳輸法（PVT，physicalvaportransport）又稱升華法，又稱改良的Lely法，是制備SiC等高飽和蒸汽壓、高熔點(diǎn)半導(dǎo)體材料的有效的方法。美國Cree公司1997年實(shí)現(xiàn)2英寸6H-SiC單晶的市場(chǎng)化，近兩年已實(shí)現(xiàn)4英寸6H-SiC單晶的市場(chǎng)化，目前占據(jù)全球市場(chǎng)的85。 國內(nèi)在SiC生長(zhǎng)起步較晚，目前

3、主要是山東大學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所、中科院物理所等單位開展SiC單晶生長(zhǎng)制備技術(shù)研究，山東大學(xué)2007年在實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)出了3英寸6H-SiC單晶。,2.SiC襯底的制備,物理氣相傳輸法（PVT）：,核心裝置如右圖所示：,SiC原料的升華和晶體的再生長(zhǎng)在一個(gè)封閉的石墨 坩堝內(nèi)進(jìn)行，坩堝處于高溫非均勻熱場(chǎng)中。SiC原料 部分處于高溫中，溫度大約在24002500攝氏度。 碳化硅粉逐漸分解或升華，產(chǎn)生Si和Si的碳化物混 合蒸汽，并在溫度梯度的驅(qū)使下向粘貼在坩堝低溫 區(qū)域的籽晶表面輸送，使籽晶逐漸生長(zhǎng)為晶體。,2.SiC襯底的制備,SiC單晶的加工：,要求：表面超光滑、無缺陷、無損傷。 重要性：直

4、接影響器件的性能。 難度：SiC的莫氏硬度為9.2，難度相當(dāng)大。,高晶格完整性 低表面粗糙度 無損傷,工藝流程： 切割：用金剛線鋸。 粗、精研磨：使用不同粗細(xì)的碳化硼和金剛石顆粒加 粗磨和精磨。 粗拋光：機(jī)械拋光，用微小的金剛石粉粒進(jìn)行粗拋。 精拋光：化學(xué)機(jī)械拋光。,3.SiC外延制備方法,外延：在一定取向的單晶基板上，生長(zhǎng)出的晶體與基板保持一定的晶體學(xué)取向關(guān)系，這種晶體生長(zhǎng)叫做外延。,同質(zhì)外延：外延材料與襯底材料為同一種材料。Si上外延Si 異質(zhì)外延：外延材料與襯底材料在性質(zhì)上、結(jié)構(gòu)上不同。 注意晶格匹配、熱膨脹系數(shù)匹配。如SiC上外延GaN.,3.SiC外延制備方法,SiC的外延方法 LP

5、E（液相外延） VPE（氣相外延） MBE（分子束外延） CVD（化學(xué)氣相沉積法）,實(shí)例：CVD法生長(zhǎng)N型4H-SiC同質(zhì)外延,實(shí)驗(yàn)采用瑞典Epigress公司的VP580水平式低壓熱壁CVD系統(tǒng)，生長(zhǎng)時(shí)襯底氣浮旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到生長(zhǎng)厚度均勻。襯底為山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的Si面，偏離（0001）面8的2英寸n型4H-SiC單晶，載流子濃度約為 。,3.SiC外延制備方法,Si源：硅烷（ ） C源：丙烷（ ） N源：氮?dú)猓?） 生長(zhǎng)溫度：1550攝氏度 壓強(qiáng)：,流程圖如下：,3.SiC外延制備方法,工藝流程：,原理圖,Si元素在降溫過程中會(huì)凝聚成Si滴。 結(jié)論：無明顯的微管和孿晶區(qū)，速度

6、5um/h，有很好的工藝可靠性。,4.SiC光電器件的簡(jiǎn)介,高功率器件 高頻高溫器件 紫外探測(cè)器件,高擊穿電壓,寬禁帶,高熱導(dǎo)率,高電流密度,4.SiC光電器件的簡(jiǎn)介,一些SiC器件：,4.SiC光電器件的簡(jiǎn)介,SiC肖特基二極管,3英寸SiC的MESFET基片,SiC二極管與傳統(tǒng)Si二極管的比較,5.SiC紫外探測(cè)器件的制備,紫外探測(cè)的意義：在導(dǎo)彈監(jiān)控與預(yù)警、紫外天文學(xué)、火災(zāi)探測(cè)、生物細(xì)胞癌變檢測(cè)等方面有著廣闊的前景，具有極高的軍事和民用價(jià)值。 傳統(tǒng)的方式-光電倍增管：體積大、易破環(huán)、高電壓、低溫下工作。,SiC紫外探測(cè)器： PN結(jié)型 PIN型 異質(zhì)結(jié)型 肖特基勢(shì)壘型 金屬-半導(dǎo)體-金屬（M

7、SM）型,6.SiC紫外探測(cè)器的制備,實(shí)例：SiC肖特基紫外光電探測(cè)器件的研制。,器件制備的半導(dǎo)體材料：4H-SiC；襯底：N+型，電阻率0.014*cm，厚度300um；外延層：N型，摻雜濃度3.3E15/cm3，厚度10um。,5.SiC光電器件的前景,近年來，Si功率器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝日趨完善，已經(jīng)接近其材料特性決定的理論極限，依靠Si器件繼續(xù)完善來提高裝置與系統(tǒng)性能的潛力十分有限。隨著SiC襯底材料和器件制造工藝如：外延、歐姆接觸、氧化及刻蝕等技術(shù)上取得的重大進(jìn)展，SiC在各類新材料中脫穎而出，在整流器、雙極晶體管及MOSFET等多種類型的功率開關(guān)器件方面取得來令人矚目的進(jìn)展。根據(jù)預(yù)測(cè)，到2015年SiC器件市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到8億美元。,盡管SiC器件取得了令人鼓舞的進(jìn)展，已經(jīng)有了很多實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，而且部分產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了市場(chǎng)，但是目前存在的幾個(gè)市場(chǎng)和技術(shù)挑戰(zhàn)限制了其商品化進(jìn)程的進(jìn)一步發(fā)展。 挑戰(zhàn)： 1.昂貴的SiC單晶材料。 2.單晶材料本身的缺陷，包括微管道、位錯(cuò)等仍會(huì)對(duì)器件造成影響。 3.SiC器件的可靠性問題。 4.大功率器件的封裝問題。,5.SiC光電器件的前景,隨著各個(gè)國家在SiC項(xiàng)目上投入力度的加大，SiC功率器件面