薄膜生长（衬底，同质、异质外延生长）
CVD法
升华外延生长 脉冲激光沉淀法（PLD） 液相外延法（LPE）
CVD法 C V D 法由于生长温度低、反应条件易于控制、 成膜均匀等优点成为目前制备结晶态SiC 薄膜材 料及器件的主要方法,通常采用含Si 和C 的气体作 为反应源,H2 或Ar 作为稀释和输送气体,衬底用 射频感应电炉加热,通常选单晶硅片作为衬底, 因 为它成本低、纯度高、生长重复性好。但是SiC 与Si 晶格失配与热膨胀失配比较大,分别为20％ 和8％左右，因此在SiC ／ Si 界面上会出现高密 度的失配位错和堆垛位错等,这些缺陷会引起杂 质的重新分配,杂质散射的增大,降低载流子迁移 率。近年来,为了获得高质量的SiC膜,人们一方面 努力改进以Si为衬底的外延生长技术,另一方面也 发展了SiC取代Si作为衬底的外延生长技术。
半导体SiC材料
•发展历史简介 •基本制备方法
•SiC半导体的优势
--体单晶生长 --薄膜生长
SiC的发展历史
1824--瑞典科学家Berzelius在人工合成金刚石的过程中观察 到SiC 1885--Acheson第一次生长出SiC 晶体 1907--英国电子工程师Round制造出了第一支SiC 的电致发光 二极管 1959--荷兰Lely 发明了一种采用升华法生长高质量单晶体的 新方法 1978-- 俄罗斯科学家Tairov 和Tsvetkov 发明了改良的Lely 法 1979--SiC蓝色发光二极管 1981-- Matsunami 发明了Si 衬底上生长单晶SiC 的工艺技术 1991--Cree Research Inc 用改进的Lely法生产出6H-SiC 1994--获得4H-SiC 晶片
改良的Lely 法 70年代末至80年代初, Tairov和Tsvetkov等对Lely法 进行了改进, 实现了籽晶升华生长.籽晶升华技术 又称为物理气相输运技术(phys-ical vapor transport, PVT).它和Lely法的区别在于增加一个籽 晶,从而避免了多晶成核,更容易对单晶生长进行 控制.该法现在已成为生长SiC体单晶的标准方法. 其基本原理是:首先多晶SiC在高温(1 800~2 600℃) 和低压下升华,产生的气相物质(Si,Si2C,SiC2)在温 度梯度的驱动下到达温度较低的籽晶处,因产生过 饱和度而在其上结晶.生长体系中可以改变的最重 要因素是坩埚的设计及与之相关的温度分布.
美国Cree公司，1997年实现2英寸6H-SiC 单晶的市场化，2000年实现4英寸6H-SiC单 晶的市场化 2007 年 5 月 23 日 ，Cree 展示 100 毫米 零微管碳化硅基底 2007 年 10 月 15 日 ，Cree 发布商业化生 产版的 100 毫米零微管碳化硅基底 2010 年 8 月 30 日 ，Cree 展示高品质的 150 毫米碳化硅基片
等离子区 靶材 衬底
激光
SiC半导体的优势
材料
禁带宽度 Eg（eV） 热导率 （w/k.cm） 相对介电 常数 电子饱和 漂移速度 （cm/s） 击穿场强 （V/cm） 熔点 （K） 莫式硬度
Si 1.12 1.5 11.9 107
GaAs 1.42 0.54 12.5 -SiC 2.2 4.9 10 2X107 2.9 4.9 9.7 2.5X107 3.2 4.9 9.7 2.5X107
SiC的基本制备工艺
体单晶生长 Acheson法（石英砂+C） •尺寸很小的多晶SiC
Lely 法（热升华，无籽晶） •尺寸小的 较高质量单晶 <200mm2 改良的Lely 法（籽晶升华技术，运输物理气 相PVT） •更容易控制，避免多晶形核
Lely法以及改进lely法示意图
Lely 法 至1955年, Lely用无籽晶升华法生长出了针状3cSiC孪晶.在这种方法中,生长的驱动力是坩埚内的 温度梯度.整个反应体系接近于化学平衡态,由SiC 升华形成的各种气相组分的分压随温度升高而增 大,从而形成一个压力梯度,引起坩埚中从热区域向 冷区域的质量输运.坩埚内的多孔石墨为无数小晶 核提供成核中心,晶体就在这些晶核上生长和长大. 晶体质量很高,例如其微管等缺陷的密度与其他生 长方法相比至少低一个数量级，此法至今还被用 于生长高质量的SiC单晶.不过, Lely法生长的晶体尺 寸太小(目前最大仅能达到200 mm2),且形状不规则, 一般为针状.
3X105
1690
4X105
1510
1~5X106 1~5X106 1~5X106
>2100 >2100 >2100
7
<6.25
9
9
9
(1)SiC 是一种宽带隙半导体,不同的结晶状态有不同的带隙,可以用作不
同颜色的发光材料。如六角晶体SiC 的带隙约为3eV,可以用作蓝光LED 的发光材料;立方晶体SiC 的带隙为2.2eV,可以用作绿色LED 的发光材料。 由于带隙不同,它们呈现出不同的体色,立方晶系透射和反射出黄色,六 角晶系呈无色; (2)SiC材料不同的结晶形态决定其禁带宽度的不同,但均大于Si 和GaAs 的禁带宽度,大大降低了SiC 器件的泄漏电流,加上SiC 的耐高温特性,使 得SiC 器件在高温电子工作方面具有独特的优势; (3)SiC 三倍于Si 的热导率使它具有优良的散热性,有助于提高器件的功 率密度和集成度; SiC 具有很高的临界击穿电场,它大约是Si材料的十倍,用它作成的器件 可以很大的提高耐压容量、工作频率和电流密度, 也大大降低了器件 的导通损耗; (4)SiC 两倍于Si 的电子饱和漂移速度使SiC 器件具有优良的微波特性,可 以很大的改善通信、雷达系统的性能,而且SiC 器件的高温高功率特性 使它能够满足在航空航天、国防安全等特殊环境的工作需要 (5)SiC材料的高硬度和高化学稳定性使它具有极高的耐磨性,可以在很 恶劣的环境下工作。
脉冲激光淀积法(PLD) 脉冲激光束照射靶材,使之汽化蒸发.在高温瞬间蒸发 出来的粒子中,除中性原子和分子碎片外,还有大量的 离子和电子,所以在靶表面附近立即形成一个等离子 区。等离子体沿垂直于靶面的方向进行膨胀,形成一 个细长的等离子区.膨胀后的等离子区迅速冷却,其中 的离子最后在靶对面的衬底上凝结成膜.