最新-無機半導體材料碳化硅(SiC)-PPT課件

1、無機半導體材料碳化硅（SiC）一、概論；二、SiC材料的研究進展；三、SiC的晶體結構、特性；四、SiC的晶體的應用前景；五、SiC薄膜的制備方法： (1)物理氣象沉積法； (2)化學氣象沉積法.六、Q&A. 目錄 碳化硅被譽為下一代半導體材料，因為其具有眾多優(yōu)異的物理化學特性，被廣泛應用于光電器件、高頻大功率、高溫電子器件。SiC有高的硬度與熱穩(wěn)定性,穩(wěn)定的結構,大的禁帶寬度 ,高的熱導率,優(yōu)異的電學性能。 SiC由Si原子和C原子組成，其晶體結構具有同質多型體的特點，在半導體領域最常見的是具有立方閃鋅礦結構的3C-SiC和六方纖鋅礦結構的4H-SiC和6H-SiC。21世紀以來以Si為基本

2、材料的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)已有長足的發(fā)展，隨著MEMS應用領域的不斷擴展，Si材料本身的性能局限性制約了Si基一、概論MEMS在高溫、高頻、強輻射及化學腐蝕等極端條件下的應用。 因此尋找Si的新型替代材料正日益受到重視。在眾多半導體材料中，SiC的機械強度、熱學性能、抗腐蝕性、耐磨性等方面具有明顯的優(yōu)勢，且與IC工藝兼容，故而在極端條件的MEMS應用中，成為Si的首選替代材料。 國際上，SiC的發(fā)展至今經歷了3個研究時期：第一是采用升華法制備SiC單晶來開發(fā)各種器件的時期；第二是SiC的外延生長等基礎研究時期；第三是接近于相關領域應用要求的當前研究開發(fā)時期。 SiC晶體的獲得最早是用Ac

3、heson工藝將石英砂與C混合放入管式爐中2600反應生成，這種方法只能得到尺寸很小的多晶SiC。至1955年，Lely用無籽晶升華法生長出了針狀3C-SiC孿晶，由此奠定了SiC的發(fā)展基礎。二、SiC材料的研究進展 20世紀80年代初Tairov等采用改進的升華工藝生長出SiC晶體，SiC作為一種實用半導體開始引起人們的研究興趣，國際上一些先進國家和研究機構都投入巨資進行SiC研究。 20世紀90年代初，Cree Research Inc用改進的Lely法生長6H-SiC晶片并實現(xiàn)商品化，并于1994年制備出4H-SiC晶片。這一突破性進展立即掀起了SiC晶體及相關技術研究的熱潮。目前實現(xiàn)商

4、業(yè)化的SiC晶片只有4H-SiC和6H-SiC型，且均采用PVD技術，以美國CreeResearch Inc為代表。采用此法已逐步提高SiC晶體的質量和直徑達7.5cm，目前晶圓直徑已超過10cm，最大有用面積達到40mm2，微導管密度已下降到小于0.1/cm2?，F(xiàn)今就SiC單晶生長來講，美國處于領先地位，俄羅斯、日本和歐盟(以瑞典和德國為首)的一些公司或科研機構也在生產SiC晶片，并且已經實現(xiàn)商品化。 SiC作為第三代半導體材料的杰出代表，由于其特有的物理化學特性成為制作高頻、大功率、高溫器件的理想材料。隨著SiC體材料的生長和外延技術的成熟，各種SiC器件將會相繼出現(xiàn)。目前，SiC器件的研

5、究主要以分立器件為主，仍處于以開發(fā)為主、生產為輔的階段。 SiC的基本結構單元是Si-C四面體，屬于密堆積結構。由單向堆積方式的不同產生各種不同的晶型，已經發(fā)現(xiàn)的同質多型體就有250多種。密堆積有3種不同的位置，記為A，B，C。依賴于堆積順序，Si-C鍵表現(xiàn)為立方閃鋅礦或六方纖鋅礦結構。如堆積順序為ABCABC，則得到立方閃鋅礦結構，記作3c-SiC或p-SiC(c=cubic)。若堆積順序為ABAB，則得到純六方結構，記為2H-SiC。其它多型體為以上兩種堆積方式的混合。兩種最常見的六方晶型是4H和6H。其堆積方式分別為ABCBABCB和ABCACBABCACB。三、SiC的晶體結構、特性圖

6、3-1 3C-SiC立方閃鋅礦結構圖3-2 2H-SiC六方纖鋅礦結構圖 3-3 不同多型碳化硅在(1120)面上的堆疊序列 不同的SiC多型體在半導體特性方面表現(xiàn)出各自的特性。利用SiC的這一特點可以制作SiC不同多型體間晶格完全匹配的異質復合結構和超晶格，從而獲得性能極佳的器件其中6H-SiC結構最為穩(wěn)定，適用于制造光電子器件：p-SiC比6H-SiC活潑，其電子遷移率最高，飽和電子漂移速度最快，擊穿電場最強，較適宜于制造高溫、大功率、高頻器件，及其它薄膜材料(如GaN（氮化鎵）、金剛石等)的襯底和X射線的掩膜等。而且，-SiC薄膜能在同屬立方晶系的Si襯底上生長，而Si襯底由于其面積大、

7、質量高、價格低，可與Si的平面工藝相兼容，所以后續(xù)PECVD制備的SiC薄膜主要是-SiC薄膜。 由于SiC具有上述眾多優(yōu)異的物理化學性質，不僅能夠作為一種良好的高溫結構材料，也是一種理想的高溫半導體材料。近20年，伴隨薄膜制備技術的高速發(fā)展，SiC薄膜已經被廣泛應用于保護涂層、光致發(fā)光、場效應晶體管、薄膜發(fā)光二極管以及非晶Si太陽能電池的窗口材料等。另外，作為結構材料的SiC薄膜還被認為是核聚變堆中最佳的防護材料，在不銹鋼基體上沉積一層SiC薄膜，可以大大地降低氚的滲透率，并保持聚變反應的穩(wěn)定性。四、SiC的晶體的應用前景 總結起來，SiC具有以下幾個方面的應用：(1)高的硬度與熱穩(wěn)定性，可

8、用于刀具涂層；(2)穩(wěn)定的結構，在核反應技術中用作核聚變堆等離子體的面對材料：(3)大的禁帶寬度，可作為光的短波長區(qū)域發(fā)光材料。 例如，3C-SiC的Eg=2.2eV（半導體能隙），6H-SiC的Eg=2.9eV可分別用作綠色、藍色LED材料，目前SiC藍光LED已經商品化；(4)高的熱導率，可作為超大規(guī)模集成電路和特大規(guī)模集成電路的熱沉材料，大大提高了電路的集成度；(5)優(yōu)異的電學性能，在功率器件、微波器件、高溫器件和抗輻射器件方面也具有廣泛的應用前景。 薄膜質量的高低將直接關系到其光電性能，進而影響其在微電子以及硅基光電器件中的應用，因此，制備高質量的薄膜尤為重要，同時也是一項非常困難的工

9、作。目前SiC薄膜的制備方法主要可分為物理氣相沉積和化學氣相沉積。五、SiC薄膜的制備方法 物理氣相沉積制備SiC薄膜主要包括濺射法、離子注入合成法和分子束外延法共三類。 濺射法 濺射又可分為二極濺射、射頻濺射、磁控濺射等。(1)物理氣象沉積法射頻濺射法 王英華等人采用射頻濺射制取SiC薄膜，制樣設備為JS-450射頻濺射儀，基片與靶之間距離為2540mm，濺射氣體為高純Ar（氬 ），基礎真空度為110-5Torr(托, torr133.322 Pa)，濺射氣壓210-31.510-2Torr，濺射速率為0.60.8mh，功率密度為6.06.5W/cm2。靶為燒結碳化硅，采用玻璃和石英玻璃為基

10、片。研究表明，射頻濺射膜為非晶態(tài)SiC薄膜，退火可以減少短程序中的缺陷，消除懸掛鍵，能隙增大。射頻濺射由于采用射頻電壓，取消了二極濺射靶材必須是導體的限制，且在射頻電壓的正負半周均能產生濺射，濺射速率比二極濺射高。磁控濺射法 毛旭等人用射頻磁控濺射法在Si(100)和玻璃襯底上制備出襯底溫度分別為300，450，600的碳化硅薄膜,并對薄膜進行了拉曼光譜和原子力顯微鏡測試分析。結果表明,用濺射法在玻璃襯底上生長出微晶SiC薄膜和在Si(100)襯底上生長出立方碳化硅薄膜，并且薄膜材料的結晶度隨著襯底溫度的升高而改善。磁控濺射通過改變電子的運動方向，有效地利用了電子的能量，使正離子對靶材轟擊濺射

11、更有效，所以它具有低溫、高速兩大特點。其淀積速率比一般濺射高一個數(shù)量級。但是磁控濺射不能實現(xiàn)磁性材料的低溫高速濺射，而且使用絕緣材料靶會使基板溫度上升。離子注入合成法 由于在電子學技術方面可能廣泛應用，在基板表面高劑量離子注入形成化合物是當今材料科學研究者的一大課題。嚴輝等人用高劑量的碳離子注入單晶Si襯底，得到了SiC埋層，利用X射線光電子能譜，研究了SiC埋層中Si2P的特征能量損失譜。結果表明，Si2P的特征能量損失譜依賴于SiC埋層中C原子的濃度分布，并且與SiC埋層的有序度效應。離子注入技術具有以下一些其它常規(guī)表面處理技術難以達到的獨特優(yōu)點：（1）它是一種純凈的無公害的表面處理技術；

12、（2）無需熱激活，無需在高溫環(huán)境下進行，因而不會改變工件的外形尺寸和表面光潔度；（3）離子注入層由離子束與基體表面發(fā)生一系列物理和化學相互作用而形成的一個新表面層，它與基體之間不存在剝落問題；（4）離子注入后無需再進行機械加工和熱處理。分子束外延（MBE） 徐彭壽等人在國內首次利用固源分子束外延技術，在襯底溫度為1100時，以Si(111)為襯底成功地外延生長出了3C-SiC單晶薄膜。通過x射線衍射、拉曼光譜以及原位反射高能電子衍射等手段研究了外延薄膜的晶型、結晶質量、外延膜與襯底的外延取向關系，并考察了薄膜制備過程中襯底的碳化對薄膜質量的影響。結果表明，外延膜與襯底晶格取向完全一致；碳化可以

13、減小SiC和襯底Si之間的晶格失配、釋放應力、引入成核中心，有利于薄膜單晶質量的提高。分子束外延的優(yōu)點是：使用的襯底溫度低，膜層生長速率慢，束流強度易于精確控制，膜層組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調整。用這種技術已能制備薄到幾十個原子層的單晶薄膜，以及交替生長不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子阱微結構材料。 利用化學氣相沉積法制備碳化硅材料具有很多突出的優(yōu)點，如可以用高純度的氣體反應得到高純度的單晶體，并且生長速度可以通過調節(jié)反應溫度和氣氛成分比例而得到控制。由CVD法制取SiC薄膜的反應組分可以多種多樣，但大致可以分為三類：（1）硅化物（常常是SiH4 (硅烷)和碳氫（或氟）化物，

14、如CH4 (甲烷)、C2H4 (乙烯)、C3H8 （丙烷）、CF4(四氟化碳)等，以及一些載氣（如H2、Ar等）；（2）含碳、硅化合物（如C)H3SiCl3(一甲基三氯硅烷） 、Si（CH3）4和H2；（3）碳氫化合物和氫氣。根據(jù)反應條件不同，CVD可分為PECVD，LPCVD以及熱絲CVD（HFCVD）等。(2)化學氣象沉積法低壓化學氣相沉積（LPCVD） CVD反應室通常有熱壁型和冷壁型，前者用于放熱反應，后者用于吸熱反應。LPCVD相對普通CVD來說，一方面基板溫度較低，避免了雜質的擴散和遷移；另一方面減少了雜質氣體的污染，且無須運載氣體，淀積速率增加，膜厚均勻性大大改善。Hurts等人

15、選擇Si(CH3)4(TMS)作為先驅體，H2為載氣，在垂直的冷壁反應室里，在石墨基板表面沉積多晶SiC薄膜?；鍦囟仍?1001500范圍，反應室壓強在15100Torr，隨著TMS分壓的增加，沉積速率亦提高。熱燈絲化學氣相沉積法(HFCVD) 通常SiC薄膜的沉積是由一含C的先驅體和一含Si的先驅體通過各種CVD法而得到。然而用HFCVD法、以CH4和H2作為混合氣進行金剛石薄膜的沉積時，有可能在沉積早期階段形成一薄層緩沖層(Si基板上)。這緩沖層有可能是SiC、類金剛石薄膜或者是無定形碳等等，但因薄層太薄無法表征。這表明在CH4-H2混合物用HFCVD法在Si基板上沉積SiC薄膜也是可能

16、的。 王輝等人采用HFCVD技術在Si(111)襯底上生長了SiC薄膜。通過電子能譜、X射線衍射和時間分辨光譜等分析手段對樣品結構、組分進行了分析。結果表明所制備的樣品為納米晶態(tài)SiC，并通過計算得到驗證,對所制備樣品進行光致發(fā)光特性測試,觀察到其在室溫下有較強的紫外發(fā)光。等離子增強化學氣相沉積(PECVD) 由于一般的CVD沉積溫度高(多數(shù)都在9001000甚至更高)，因而帶來了一系列問題：如易引起基板的變形和組織的變化，降低基板材料的機械性能，基底材料與膜層材料在高溫下發(fā)生相互擴散，兩者的結合力削弱。而輝光放電形成的等離子體在化學氣相沉積中能將反應物中的氣體分子激活成活性離子，降低反應溫度；并能加速反應物在表面的擴散，提高成膜速度，對基體及膜層表面具有濺射清洗作用，從而加強了薄膜與基板間的附著力，由于反應物中的原子、分子、離子和電子的碰撞、散射作用，使形成的薄膜厚度均勻。根據(jù)等離子體形成條件的不同，PECVD又可分為射頻、微波以及電子回旋共