最新SiC材料的特性及應用

1、SiC材料的特性及應用 SiC材料的特性及應用 2004.11.15 SiC材料的特性及應用 SiC材料的發(fā)展史話材料的發(fā)展史話 SiC材料的特性及應用材料的特性及應用 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材料的特性及應用 起初起初Acheson錯誤地認為這種材料是錯誤地認為這種材料是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、熔點高等特性，于這種單晶材料具有硬度大、熔點高等特性，于1893 年申請了專利，將這種產(chǎn)品稱為年申請了專利，將這種產(chǎn)品稱為“Carborundum”。 SiC材料的特性及應用 開辟了開辟了SiC材料和器件研究的新紀元，此后，有關材料和器件研究的新紀元，此后，有關 SiC的研究工作全面展開，并且于的研究工作全面展開，并且于1958年在年在Boston召開召開 了第一屆了第一屆SiC會議。會議。 但是，但是，Si技術(shù)的成功以及迅猛發(fā)展，使得人們對技術(shù)的成功以及迅猛發(fā)展，使得人們對 SiC的研究興趣下降，這一時期的研究工作，即的研究興

5、趣下降，這一時期的研究工作，即60年代年代 中期到中期到70年代中期，主要在前蘇聯(lián)進行，在西方一些年代中期，主要在前蘇聯(lián)進行，在西方一些 國家，國家，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材料的特性及應用 SiC材料的發(fā)展史話 1824年年,瑞典科學家瑞典科學家Berzelius(17791848)在人工合成在人工合成 金剛石的過程中就觀察到了金剛石的過程中就觀察到了SiC； 1885年年Acheson(18561931)首次生長出了首次生長出了SiC晶體晶體 (Carborundum)； 1905年，法國科學家年，法國科學家Moissan(18521907)在美國

6、在美國 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，英國電子工程師年，英國電子工程師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材料的特性及應用 SiC材料的發(fā)展史話 1955年，年，Lely發(fā)明了一種采用升華法生長出高質(zhì)量單發(fā)明了一種采用升華法生長出高質(zhì)量單 晶體的新方法；晶體的新方法；(轉(zhuǎn)折點轉(zhuǎn)折點) 1978年，俄羅斯科學家年，俄羅斯科學家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生長技術(shù)；生長技術(shù)；(里程碑里程碑) 1979年，成功制造出了年，成功制造出了SiC藍色發(fā)光二極管；藍色發(fā)光二極管； 1981年，年，Matsunami發(fā)明了發(fā)明了Si襯底上生長單晶襯底上生長單晶SiC的工的工 藝技術(shù)，并在藝技術(shù)，并在SiC領域引發(fā)了技術(shù)的高速發(fā)展；領域引發(fā)了技術(shù)的高速發(fā)展； 1987年，年，Cree Research成立，成為了第一個銷售成立，成為了第一個銷售SiC單單 晶襯底的美國公司。晶襯底的美國公司。 SiC材料的特性及應用 SiC材料的特性及應用 .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 熔點熔點(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 臨界電場臨界電場(106Vcm)0.30.62.03.23.0 介電常數(shù)介電常數(shù)11.812.59.7109.6 熱導率熱導率(WcmK)1.50.464.94.94.9 SiC與與Si和和GaAs的有關參數(shù)的對比的有關參數(shù)的對比 SiC材料的特性及應用 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、抗輻照的半導體器件的優(yōu)選材料，用于地面核溫、抗輻照的半導體器件的優(yōu)選材料，用于地面核 反應堆系統(tǒng)的監(jiān)控、原油勘探、環(huán)境檢測及航空、反應堆系統(tǒng)的監(jiān)控、原油勘探、環(huán)境檢測及航空、 航天、雷達、通訊系統(tǒng)及汽車馬達等領域的極端環(huán)航天、雷達、通訊系統(tǒng)及汽

10、車馬達等領域的極端環(huán) 境中。境中。 SiC材料的特性及應用 SiC材料的特性及應用 .Polytypism in SiC 3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC SiC材料的特性及應用 3C-SiC SiC材料的特性及應用 6H-SiC SiC材料的特性及應用 SiC材料的特性及應用 .Dopant Considerations 雜質(zhì)摻入量過大導致了非晶或多晶的形式，深雜質(zhì)摻入量過大導致了非晶或多晶的形式，深 的雜質(zhì)能級是不利的，不僅激活溫度高，而且也不的雜質(zhì)能級是不利的，不僅激活溫度高，而且也不 利于器件的設計。利于器件的設計。 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，幾乎都用生長過程中引入摻的，幾乎都用生長過程中引入摻 雜劑的原位摻雜方式，個別用離子注入。雜劑的原位摻雜方式，個別用離子注入。 SiC材料的特性及應用 SiC材料的特性及應用 .Oxidation of SiC SiC體材料具有很高的抗氧化性，因為在體材體材料具有很高的抗氧化性，因為在體材 料的氧化過程中會在氧化界面形成料的氧化過程中會在氧化界面形成SiO2層，從而層，從而 阻止了氧化的進行。阻止了氧化的進行。 2SiC+3O2=2SiO2+2CO SiC材料的特性及應用 SiC材料的特性及應用 . 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，器件工作時的壓降及功耗增大，果接觸電阻太高，器件工作時的壓降及功耗增大， 引起器件因發(fā)熱而溫度過高。引起器件因發(fā)熱而溫度過高。 SiC材料的特性及應用 SiC材料的特性及應用 .SiC Light Emitting Diodes 根據(jù)根據(jù)SiC在低溫下可以發(fā)射藍光的性質(zhì)，已經(jīng)在低溫下可以發(fā)射藍光的性質(zhì)，已經(jīng) 成功制作了藍光發(fā)光二極管成功制作了藍光發(fā)光二極管(LED)。但是，。但是，SiC是是 間接帶

13、隙半導體材料，所制成的間接帶隙半導體材料，所制成的LED的發(fā)光效率的發(fā)光效率 非常低。非常低。 電化學腐蝕處理電化學腐蝕處理 SiC 多孔多孔SiC SiC材料的特性及應用 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藍光發(fā)光二極管早已實現(xiàn)了商品化，藍光發(fā)光二極管早已實現(xiàn)了商品化， 但由于但由于SiC材料的生長工藝技術(shù)還不夠成熟，材料的生長工藝技術(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)等還有待于開發(fā)，圖形加工技術(shù)等還有待于開發(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材料的特性及應用 Comparison of Si and SiC devices under similar conditions SiC材料的特性及應用 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)射藍光中發(fā)射藍光(商業(yè)應用商業(yè)應用) 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器件的應用領域：器件的應用領域： SiC材料的特性及應用 高壓大功率開關二極管，可控硅高壓大功率開關二極管，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 空間應用的大功率器件空間應用的大功率器件 高擊穿電場高擊穿電場 高的熱導率高的熱導率 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材料的特性及應用 SiC材料的制備方法 .SiC Substrate Crystal Growth SiC材料的特性及應用 SiC材料的特性及應用 無論無論Lely法還是改良的法還是改良的Lely法生長的單晶幾乎法生長的單晶幾乎 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 今尚無商用的今尚無商用的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，摻雜難于控制，晶體中生長，摻雜難于控制，晶體中 存在缺陷，特別是微管道缺陷無法消除，并且存在缺陷，特別是微管道缺陷無法消除，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)、化學氣相沉積、化學氣相沉積(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、抗輻照的半導能使其成為高頻、大功率、耐高