半导体SiC 材料研究进展及其应用
－B08010113 张朝飞
引言
作为第三代的半导体材料, S i C 具有带隙宽、热导率高、电子的饱和漂移速度大、临界击穿电场高和介电常数低、化学稳定性好等特点, 在高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件及紫外探测器等方面具有广泛的应用前景。
在半导体材料的发展中,一般将Si 和Ge称为第一代电子材料,上世纪60 年代,发展了第二代电子材料,包括GaAs、InP、GaP InAs、AlAs 及其合金等。
随着微电子技术、光电子技术的飞速发展,常规半导体如Si、GaAs 等已面临严峻挑战,人们对能在极端条件(高温、高频、大功率、强辐射)下工作的电子器件的需求越来越迫切。
因而继第一代第二代半导体材料以后发展第三代宽带隙(Eg＞2.3eV)高温半导体材料,即SiC、GaN、AlN、金刚石等已成当务之急。
SiC 是第三代半导体材料的核心之一,与SiGaAs 相比,SiC 具有带隙宽、热导率高、电子饱和漂移率大、化学稳定性好等优点,因而被用于制作高温、高频、抗辐射、大功率和高密度集成电子器件。
利用它宽禁带(2.3eV～3.3eV)的特点还可以制作蓝、绿光
和紫外光的发光器件和光电探测器件。
另外,与其他化合物半导体材料如GaN、AlN 等相比,SiC 有一个独特的性质就是可以形成自然氧化层SiO2,这对制作各种以MOS 为基础的器件是非常有利的。
SiC材料发展历史
自1824 年瑞典科学家Berzelius(1779 —1848) 在人工合成金刚石的过程中观察到了SiC 以来,人们开始了对SiC 的研究。
1885 年Acheson(1856-1931)第一次生长出SiC 晶体,他发现该晶体具有硬度大、熔点高等特性,并希望用它代替金刚石和其他研磨材料。
当时这一材料在切割和研磨方面产生了极大的影响力。
但由于晶体的尺寸较小, 并且其中存在大量的缺陷,SiC 材料还不能用于制备电子器件。
SiC 在电子学中的正式应用是1907 年,英国电子工程师Round(1881 — 1966)制造出了第一支SiC 的电致发光二极管。
1920 年,SiC 单晶作为探测器应用于早期的无线电接收机上。
直到1959 年,Lely 发明了一种采用升华法生长高质量单晶体的新方法,由此奠定了SiC 的发展基础,也开辟了SiC 材料和器件研究的新纪元。
但是,由于当时SiC单晶生长难度比较大,因而使得SiC 的研究滞后了。
这一时期的研究工作,即60 年代中期到70 年代中期,主要在前苏联进行,在西方一些国家,SiC 的研究工作仅处于维持状态。
1 9 7 8 年, 俄罗斯科学家Tairov 和Tsvetkov 发明了改良的Lely 法,获得较大晶体的SiC 生长技术,又激起了人们的兴趣。
1979 年,成功地制造出了SiC 蓝色发光二极管[2]。
1981 年,Matsunami 发明了Si 衬底上生长单晶SiC 的工艺技术,并在SiC 领域引发了技术的高速发展1991 年,Cree ResearchInc 用改进的Lely法生产出6H-SiC晶片,1994 年获得4H-SiC 晶片。
人们逐步增强了对SiC 的研究兴趣,且目前这一领域由于SiC 衬底的商品化而迅猛发展起来。
SiC材料的结构与特性
SiC 是IV-IV 族二元化合物半导体,也是元素周期表中IV 族元素中唯一的一种固态化合物。
SiC 具有250 多种同素异构类型,其中最为重要的有两种:一种为立方密堆积的闪锌矿结构叫作3C-SiC,即β -SiC;另一种为六角密堆积的纤维锌矿结构, 其中典型的有6 H 、4H、15R(数字和字母分别表示密堆积方向上晶胞中(Si ＋C)双层的数目及晶体结构种类)等, 统称为α -SiC。
SiC 与Si、GaAs 性能参数的比较如下图：
从表中可以看出,SiC 宽的带隙、高的热导率、快的电子饱和漂移速率、好的化学稳定性等特性,使它成为目前发展最快的高温宽禁带半导体器件之一。
(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。
由于碳化硅具有以上特性,因此SiC 比一些常规半导体材料更适合应用于特性优越的器件,很快成为第三代电子材料的核心之一。
SiC薄膜的制备方法
目前,常用的SiC薄膜的制备方法有: 溅射法、C V D 法和液相外延法
在用溅射法制备薄膜时,薄膜的形成过程大致都可分为四个阶段：
(1)外来原子在基底表面相遇结合在一起成为原子团,只有当原子团达到一定数量形成“核”后, 才能不断吸收新加入的原子而稳定地长大形岛。
(2)随着外来原子的增加,岛不断长大,进一步发生岛的接合;
(3)很多岛接合起来形成通道网络结构
(4)后续的原子将填补网络通道间的空洞,成为连续薄膜。
在薄膜的生长过程中,基片的温度对沉积原子在基片上的附着以及在其上移动等都有很大影响, 是决定薄膜结构的重要条件。
一般来说, 基片温度越高, 则吸附原子的动能也越大,跨越表面势垒的几率增多,则需要形成核的临界尺寸增大,越易引起薄膜内部的凝聚,每个小岛的形状就越接近球形,容易结晶化,高温沉积的薄膜易形成粗大的岛状组织。
而在低温时,形成核的数目增加,这将有利于形成晶粒小而连续的薄膜组织,而且还增强了薄膜的附着力,所以寻求实现薄膜的低温成型一直是研究的方向。
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。
LPE 是一种比较早且比较成熟的生长SiC薄膜的技术。
因为SiC 不熔融于Si 体中,故可用LPE 工艺生长SiC,这一工艺的生长温度较低,且生长状态几乎维持在平衡态。
以往的研究发现,在一定条件下,不同晶型的SiC 之间可以转换。
例如,在大于1600℃温度下燃烧,3C-SiC 可变为6H-SiC;利用此现象已在3C-SiC(100)籽晶上生长出6H-SiC(0114)单晶,同时还对4H-SiC 的变型生长进行了研究。
研究发现, 在生长初期掺入某种杂质有利于4H-SiC 单晶生长,当生长温度高于通常6H-SiC 生长所需要的温度时,在6HSiC(0001)面上容易生长4H-SiC 单晶。
SiC半导体材料的应用
SiC 优越的半导体特性将为众多的器件所采用。
SiC 作为高温结构材料已经广泛应用于航空、航天、汽车、机械、石化等工业领域。
利用其高热导、高绝缘性目前在电子工业中用作大规模集成电路的基片和封装材料。
在冶金工业中作为高温热交换材料和脱氧剂, 同时作为一种理想的高温半导体材料。
随着SiC 半导体技术的进一步发展,SiC 器件的应用领域越来越广阔,如表2 所示。
表2 SiC 材料的特性及在器件上的应用展望
SiC 材料以其宽禁带, 高击穿临界电场、饱和速度和热导率,小的介电常数和较高的电子迁移率,以及抗辐射能力强,结实耐磨等特性成为制作高频、大功率、耐高温、和抗辐射器件的理想材料。
在器件研制方面,SiC 蓝光LED 已经商业化,高温高压二极管已经逐渐走向成熟。
在高温半导体器件方面,利用SiC材料制作的SiCJFET 和SiC 器件可以在无任何领却散热系统下的600℃高温下正常工作,在航空航天、高温辐射环境、石油勘探等方面发挥重要作用。