新型半導(dǎo)體材料碳化硅分析研究 材料學(xué)專業(yè)

1、新型半導(dǎo)體材料碳化硅摘要隨著半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，第一、二代半導(dǎo)體材料在高溫、輻射和高頻率下工作特性都不能滿足需求，而新型半導(dǎo)體材料SiC的出現(xiàn)改變了這一局面。本文主要闡述了碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及重要應(yīng)用，并分析了制備碳化硅材料的主流方法，最后討論了我國碳化硅材料和器件的發(fā)展現(xiàn)狀及其存在的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。關(guān)鍵詞:SiC 第三代半導(dǎo)體引言SiC作為第三代半導(dǎo)體材料，它的禁帶寬度高達(dá)3.25eV,不僅擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高，而且電子飽和速率和熱導(dǎo)率都很高，這些優(yōu)越性質(zhì)使SiC器件能在高溫、高電壓、高頻率狀態(tài)下可靠運(yùn)行，同時(shí)在保證高運(yùn)行能力的情況下消耗最少的電能。2016年碳化硅的電子市場(chǎng)規(guī)模就已經(jīng)

2、達(dá)到近3億美元，毫無疑問，碳化硅將在5G通信、新能源汽車、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型等方面發(fā)揮重要作用，占據(jù)更廣闊的寬禁帶半導(dǎo)體市場(chǎng)。碳化硅的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)碳化硅是C和Si組合中唯一穩(wěn)定的化合物，從晶體化學(xué)的角度來看，每個(gè)Si（C）原子與周邊包圍的C（Si）原子通過定向強(qiáng)四面體sp3鍵結(jié)合，并有一定程度的極化，很低的層錯(cuò)形成能量決定了SiC的多型體現(xiàn)象，六角密排4H-SiC、6H-SiC和立方密排的3C-SiC比較常見并且不同的多型體具有不同的電學(xué)性能與光學(xué)性能。通過對(duì)比硅和碳的電負(fù)性確定SiC晶體具有很強(qiáng)的離子共價(jià)鍵,原子化能值達(dá)到125okJ/mol，表明SiC的結(jié)構(gòu)、能量穩(wěn)定。此外，sic還有高達(dá)120014

3、30K的德拜溫度。因此，SiC材料對(duì)各種外界作用有很高的穩(wěn)定性，在力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)等方面有優(yōu)越性。與Si相比，SiC的禁帶寬度為其2-3倍，同時(shí)具有其4.4倍的熱導(dǎo)率，8倍的臨界擊穿電場(chǎng)，2倍的電子飽和漂移速度，這些優(yōu)異性能使其成為在航天航空、雷達(dá)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、汽車馬達(dá)、通訊系統(tǒng)等應(yīng)用中生產(chǎn)耐高溫、高頻、抗輻射、大功率半導(dǎo)體器件材料的不二選擇，特別是SiC發(fā)光二極管的輻射波長廣，在光電集成電路中具有廣闊的應(yīng)用前景。SiC的制備及原理SiC很早已被發(fā)現(xiàn)，由于它化學(xué)和物理穩(wěn)定性高，過去很長的時(shí)問內(nèi)僅在工業(yè)中作為研磨和切割材料。SiC在超過1800時(shí)才升華分解，高溫生長單晶和化學(xué)機(jī)械處理都十分困難，S

4、iC晶體的主要制備方法有：Acheson法(1891年)，Lely法(1955年)，改良Lely法(1978年)。最早使用Lely法升華再結(jié)晶工藝生長SiC單晶，用感應(yīng)加熱法將裝有多晶SiC粉末的多孔石墨管加熱到2500，在惰性氣體（氬氣）環(huán)境中升華出SiC，生成六角形狀的、大小和結(jié)晶類型不定但直徑很小、雜質(zhì)含量較高的單晶板塊。商業(yè)生產(chǎn)常用改良LeLy法（PVT法。前蘇聯(lián)的Tairov等人使用SiC籽晶來控制所生長晶體的構(gòu)型，生長出直徑為8mm、長8mm的6H-SiC單晶。PVT 法主要用來生長尺寸較大的單晶。該過程生長速度與汽相飽和度成正比，通過汽相輸運(yùn)使SiC原子在籽晶上生成單晶。其優(yōu)點(diǎn)在

5、于克服了Lely法自發(fā)成核生長的缺點(diǎn)，而且生長溫度和壓力有所降低。此外，在高溫下生長SiC晶體時(shí)難以控制摻雜，晶體中的微管道缺陷無法消除，現(xiàn)在已經(jīng)研究出幾種外延SiC的方法如濺射法，激光燒結(jié)法，液相外延法，化學(xué)氣相淀積和分子束外延法等。目前都是使用外延簿膜SiC材料制造器件。高溫化學(xué)氣相淀積（HTCVD）使用氣態(tài)的高純碳源和硅源，生長速率高于PVT法，成本更低，電阻率很高，通過控制通入的氮或硼的流量就可控制晶體導(dǎo)電強(qiáng)弱。國內(nèi)SiC材料技術(shù)發(fā)展情況由于SiC單晶材料和外延設(shè)備的限制，上世紀(jì)七十年代中國才開始對(duì)碳化硅晶體進(jìn)行深入研究。在國家973計(jì)劃和863計(jì)劃的支持下，中科院物理研究所、西安電子

6、科技大學(xué)、山東大學(xué)、中電46所等重要機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了“寬禁帶半導(dǎo)體SiC基礎(chǔ)研究”、“SiC高頻高溫功率器件”和“SiC單晶襯底制備”等項(xiàng)目。雖然目前與國際先進(jìn)水平相比，我國仍有很大差距，但是山東大學(xué)研制出的SiC單晶生長加工和單晶爐技術(shù)在國內(nèi)遙遙領(lǐng)先。目前我國已成功掌握4英寸SiC單晶生長技術(shù)，2、3英寸SiC襯底已進(jìn)行量產(chǎn)，各大研究機(jī)構(gòu)正在重點(diǎn)研究6英寸SiC襯底的制備技術(shù)以及低位元錯(cuò)密度、大面積的SiC外延技術(shù)。西安電子科技大學(xué)已經(jīng)通過外延生長法成功制得并測(cè)試證明6環(huán)SiC的品格結(jié)構(gòu)情況，同時(shí)在材料性質(zhì)、載流子輸運(yùn)展開理論和實(shí)驗(yàn)研究上取得重大進(jìn)展。國內(nèi)通過自行研制、或引進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備涉足SiC晶體

7、生產(chǎn)的研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)越來越多，許多企業(yè)引進(jìn)外延設(shè)備進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)，形成初始規(guī)模的SiC產(chǎn)業(yè)鏈。雖然目前SiC器件的研究已經(jīng)取得了矚目的成果，但是SiC材料還沒有發(fā)揮其最大性能。近幾年，利用PVT法和CVD法，采用緩沖層、臺(tái)階控制外延及位置競(jìng)爭(zhēng)等技術(shù)生長SiC薄膜質(zhì)量已經(jīng)取得了驚人的進(jìn)步，且實(shí)現(xiàn)了可控?fù)诫s。但晶體中仍含有大量的微管、位錯(cuò)和層錯(cuò)等缺陷，嚴(yán)重限制了SiC芯片成品率及大電流需求。SiC電力電子器件要想應(yīng)用于牽引領(lǐng)域，單個(gè)芯片面積必須要在1.2cm2以上，以保證100A以上的通流能力，降低多芯片并聯(lián)產(chǎn)生的寄生參數(shù)。因此，SiC材料必須解決上述缺陷問題，SiC器件才有可能在牽引領(lǐng)域批量應(yīng)用

8、。 SiC的應(yīng)用SiC因其優(yōu)良的物理化學(xué)特性和電特性，成為制造短波長電子器件、高溫器件、抗輻照器件和大功率、高頻電子器件重要的半導(dǎo)體材料之一。在元器件應(yīng)用方面，有藍(lán)光發(fā)光二極管，高電壓SiC肖特基二極管，SiC射頻功率晶體管和SiC MOSFET等產(chǎn)品。sic二極管肖特基勢(shì)壘二極管由于肖特基二極管的制造工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所以對(duì)SiC肖特基二極管的研究頗為成熟。肖特基二極管能提供近乎理想的動(dòng)態(tài)性能,在高速集成電路、微波技術(shù)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。該管工作過程中沒有電荷儲(chǔ)存，因此反向恢復(fù)電流僅由耗盡層結(jié)電容造成。更重要的是，開關(guān)管的開通損耗大幅度減少，開關(guān)頻率提高。此外，它幾乎沒有正向恢復(fù)電壓，能夠立即

9、導(dǎo)通，無開關(guān)延時(shí)。該管的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，有利于多個(gè)二極管并聯(lián)，從而在二極管單芯片面積和電流受限時(shí)，大幅提高SiC肖特基二極管的容量。目前實(shí)驗(yàn)室研制成功的最大容量達(dá)到了6500V/1000A的水平。SiC肖特基二極管的發(fā)展方向是襯底減薄技術(shù)和Trench JBS結(jié)構(gòu)。襯底減薄技術(shù)能夠有效地減小低壓時(shí)二極管的導(dǎo)通電阻，從而使正反向特性均得到改善，不僅增加了電流密度，也提高了阻斷電壓和雪崩能力。2、SiC開關(guān)管SiC MOSFETSiC MOSFET N+源區(qū)和P阱摻雜均采用離子注入，在1700溫度中進(jìn)行退火激活，其中采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮SiC的特性。相比于硅IGBT，SiC MOS

10、FET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾，寄生體二極管有極小的反向恢復(fù)時(shí)間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr從而使其具有更低的開關(guān)損耗和更高的工作頻率。碳化硅MOSFET模塊的高壓高頻和高效率優(yōu)勢(shì)使其更多的應(yīng)用于光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)。它可以突破現(xiàn)有電動(dòng)汽車電機(jī)設(shè)計(jì)上因器件性能而受到的限制，這是目前國內(nèi)外電動(dòng)汽車電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。預(yù)計(jì)在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外的電動(dòng)汽車上。機(jī)遇與挑戰(zhàn)SiC材料的未來機(jī)遇面對(duì)全球節(jié)能減排的需求，以及80%以上的電能消耗在電子信息設(shè)備、軌道交通等眾多節(jié)能潛力巨大的領(lǐng)域中的現(xiàn)狀，具有高效電能轉(zhuǎn)換技術(shù)的第三代半導(dǎo)體材料

11、的地位就顯得舉足輕重了。另外，基于互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)通訊產(chǎn)業(yè)、大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，支持大量移動(dòng)終端、海量數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的材料需求十分迫切。而第三代半導(dǎo)體材料SiC的擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)，能在高溫高電壓、高頻率狀態(tài)下可靠運(yùn)行，并能以較少的電能消耗和較低的成本，獲得更高的運(yùn)行能力。此外SiC材料還是航空航天和國防科技方面制造微波器件的理想材料，將更廣泛的應(yīng)用于電子對(duì)抗和智能化系統(tǒng)中。挑戰(zhàn)我國開展SiC材料及器件研究工作較晚，在科技部及軍事預(yù)研項(xiàng)目的支持下，取得了一定的成果，逐步縮小了與國外先進(jìn)技術(shù)的差距，在軍工領(lǐng)域取得了一些應(yīng)用。但是研究的主要成果還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，器件性能不足以滿足需求。目前，只有少數(shù)企業(yè)成功研發(fā)SiC材料及器件，實(shí)現(xiàn)SiC功率器件的量產(chǎn)，原因在于應(yīng)用端與核心材料器件分離，沒有形成一定的產(chǎn)業(yè)鏈，以及進(jìn)行相關(guān)研發(fā)的企業(yè)單位規(guī)模小，資金投入不足，因此，我們急需在國家的大力支持下打破體制障礙，建立產(chǎn)業(yè)體系，引進(jìn)創(chuàng)新人才和團(tuán)隊(duì)，加強(qiáng)國際與區(qū)域交流合作，以SiC產(chǎn)業(yè)謀求更快更好的發(fā)展。參考文獻(xiàn)1崔曉英.SiC半導(dǎo)體材料和工藝的發(fā)展?fàn)顩rN.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2007年8月第25卷第4期；2郝建群.第3代半導(dǎo)體發(fā)展概述及我國的機(jī)遇、挑戰(zhàn)與對(duì)策N