新型半導(dǎo)體材料碳化硅

1、新型半導(dǎo)體材料碳化硅郝璐·西安電子科技大學(xué)·710000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，同時在保證高運(yùn)行能力的情

2、況下消耗最少的電能。2016年碳化硅的電子市場規(guī)模就已經(jīng)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。1、 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。通過對比硅和碳的電負(fù)性確定SiC晶體具有很強(qiáng)的離子共價鍵,原子化能值達(dá)到125okJ/mol

3、，表明SiC的結(jié)構(gòu)、能量穩(wěn)定。此外，sic還有高達(dá)12001430K的德拜溫度。因此，SiC材料對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，同時具有其4.4倍的熱導(dǎo)率，8倍的臨界擊穿電場，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、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。2、 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，過去很長的時問內(nèi)僅在工業(yè)中作為研磨和切割材料。SiC

4、在超過1800時才升華分解，高溫生長單晶和化學(xué)機(jī)械處理都十分困難，SiC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

5、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。3、 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碳化硅晶體進(jìn)行

6、深入研究。在國家973計劃和863計劃的支持下，中科院物理研究所、西安電子科技大學(xué)、山東大學(xué)、中電46所等重要機(jī)構(gòu)啟動了“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試證明6環(huán)SiC的品格結(jié)構(gòu)情況，同時在材料性質(zhì)、載流子輸運(yùn)展開理

7、論和實驗研究上取得重大進(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、臺階控制外延及位置競爭等技術(shù)生長SiC薄膜質(zhì)量已經(jīng)取得了驚人的進(jìn)步，且實現(xiàn)了可控?fù)诫s。但晶體中仍含有大量的微管、位錯和層錯等缺陷，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)。

8、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。 4、 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。1、 sic二極管肖特基勢壘二極管由于肖特基二極管的制造工藝相對比較簡單，所以對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存，因此反向恢復(fù)電流僅由耗盡層結(jié)電容造成。更重要

9、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，能夠立即導(dǎo)通，無開關(guān)延時。該管的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，有利于多個二極管并聯(lián)，從而在二極管單芯片面積和電流受限時，大幅提高SiC肖特基二極管的容量。目前實驗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

10、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 MOSFET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)勢使其更多的應(yīng)用于光伏、風(fēng)電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)。它可以突破現(xiàn)有電動汽車電機(jī)設(shè)計上因器件性能而受到的限制，這是目前國內(nèi)外電動汽車電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。預(yù)計在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外的電動汽車上。5、 機(jī)遇與挑戰(zhàn)SiC材料的未來1、 機(jī)遇面對全球節(jié)能減排的需求，以及80%

11、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)體材料的地位就顯得舉足輕重了。另外，基于互聯(lián)網(wǎng)的移動通訊產(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)用于電子對抗和智能化系統(tǒng)中。2、 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)研項目的支持

12、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驗室階段，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，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，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