寬禁帶材料的發(fā)展

1、3/3寬禁帶半導(dǎo)體材料及其器件應(yīng)用新發(fā)展摘要:近幾年以C為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料以其寬的禁帶寬度、高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和漂移速度和高熱導(dǎo)率，小介電常數(shù)和高的電子遷移率，以及抗輻射能力強(qiáng)等特性而成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，更成為制作高頻、大功率、耐高溫和抗輻射器件的理想材料。文章綜述了i的材料特點(diǎn)、應(yīng)用以及iC材料發(fā)展現(xiàn)狀及末來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵字:S 寬禁帶材料1特點(diǎn)SiC是寬帶隙半導(dǎo)體，室溫下帶隙為2。39eV （C-SiC）.33eV（SiC）。通過(guò)對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn),它們所有的價(jià)帶-導(dǎo)帶躍遷都有聲子參與，也就是說(shuō)這些類型的Si半導(dǎo)體都是間接帶隙半導(dǎo)體。碳化硅獨(dú)有的力學(xué),光學(xué)，電學(xué),和熱屬性使它在各

2、種技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。i是目前發(fā)展最為成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料,它有效的發(fā)光來(lái)源于通過(guò)雜質(zhì)能級(jí)的間接復(fù)合過(guò)程因此,摻入不同的雜質(zhì),可改變發(fā)光波長(zhǎng)，其范圍覆蓋了從紅到紫的各種色光.實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)iC與氮化物可形成一種穩(wěn)定單晶結(jié)構(gòu)的固溶體，晶格常數(shù)與6HSi基本匹配，當(dāng)組分x達(dá)到一定值時(shí)，將發(fā)生間接帶隙向直接帶隙的轉(zhuǎn)變。一旦變成直接帶隙,其發(fā)光性能將大幅變化，在短波長(zhǎng)發(fā)光和超高亮度二極管方面有巨大的應(yīng)用潛力.同時(shí)SC具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料。2。國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀iC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，Si

3、器件能耐高溫(50度以上）、高電壓（20V以上），具有功率大、電流大、功耗小、頻率高等優(yōu)良特性，適用于大型電氣設(shè)備系統(tǒng)，軍用武器裝備系統(tǒng)等,其耐差環(huán)境的特性是其他材料無(wú)法比擬的。SiC藍(lán)光L是唯一商品化的SC器件,各種Si多型體的LD覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光和近紫外光區(qū)域。6SiC純綠光(50n）的LE通過(guò)注入A或液相外延得到，藍(lán)光二極管是N-A雜質(zhì)對(duì)復(fù)合發(fā)光， 4H-SiC藍(lán)光二極管是雜質(zhì)對(duì)復(fù)合發(fā)光.美國(guó)ee公司是最早研究和生產(chǎn)iC晶體和晶片的公司，其研制的藍(lán)光LED發(fā)光中心為470nm,發(fā)光功率達(dá)到18微瓦。他們?cè)?9年到199年之間就可以生產(chǎn)2到英寸的SiC晶片.該公司后來(lái)同日本著名的日亞化學(xué)公司

4、合作生產(chǎn)藍(lán)光和紫光LED器件.最近幾年，歐盟和法國(guó)分別啟動(dòng)基于iC的半導(dǎo)體器件重大項(xiàng)目，極大地推動(dòng)了i研究在歐洲的進(jìn)度Si作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表， 無(wú)論是單晶襯底質(zhì)量、導(dǎo)電的外延層和高質(zhì)量的介質(zhì)絕緣膜和器件工藝等方面，都比較成熟或有可以借鑒的iC器件工藝作參考, 由此可以預(yù)測(cè)在未來(lái)的寬禁帶半導(dǎo)體器件中，C將擔(dān)任主角， 獨(dú)霸功率和微電子器件市場(chǎng).我國(guó)在SiC單晶和基片研究方面落后國(guó)外到8年的時(shí)間.山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用自行設(shè)計(jì)的坩堝和溫場(chǎng)， 穩(wěn)定、重復(fù)地生長(zhǎng)出了直徑大于50。8 m的6H Si晶體，晶體厚度大于20m.中國(guó)科學(xué)院物理研究所成功生長(zhǎng)出直徑為50.8 mm、厚度

5、為25。4 m， 具有較高質(zhì)量的H多型Si單晶。除LD外， Si器件還處于研制階段。一方面SC材料,特別是3CSC中的各種缺陷影響器件性能,另一方面與器件相關(guān)的工藝使得SiC的優(yōu)勢(shì)尚未得到開(kāi)發(fā).表1是iC發(fā)展概況.表1 SiC發(fā)展概況從材料本身出發(fā)來(lái)講,4H- Si由于處于自由排列狀態(tài)而具有比氮化鎵更顯著的優(yōu)點(diǎn),雖然它僅作為一個(gè)重?fù)诫s的N型襯底。目前，它是一種非常昂貴的材料,由生產(chǎn)的i晶圓設(shè)備的費(fèi)用高達(dá)等效硅晶片價(jià)格的50倍。雖然這是不現(xiàn)實(shí)的，由于材料在完整的設(shè)備或系統(tǒng)中的成本,相對(duì)于如制造，外延,包裝,配送費(fèi)用等單個(gè)成本往往較低。通常,額外的成本可以在提高系統(tǒng)的整體效率,減少了系統(tǒng)的體積，重

6、量,或降低其冷卻要求方面考慮。然而,基于碳化硅晶圓變得更具成本競(jìng)爭(zhēng)力，碳化硅晶圓尺寸以及每片晶圓設(shè)備產(chǎn)量器件都在增加。100nm晶圓現(xiàn)在無(wú)處不在，50m晶圓也開(kāi)始商業(yè)化。此外，由于大幅度提高產(chǎn)量,材料的質(zhì)量與十多年前相比是無(wú)法識(shí)別。所謂的“致命缺陷” 微管 現(xiàn)在在優(yōu)質(zhì)材料中已經(jīng)被根除，而促進(jìn)雙極型器件的正向電壓漂移的基底面位錯(cuò)正在減少，但對(duì)于要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)載流子壽命必要的電導(dǎo)率調(diào)制雙極型器件來(lái)說(shuō)仍然太高。無(wú)論如何，SiC器件的最近商業(yè)化可以歸因于在材料質(zhì)量的大量提高。在高電壓下，功率器件（功率MOSFET ,GB，晶閘管等）的導(dǎo)通電阻是由它的漂移區(qū)的電阻決定的。對(duì)于一個(gè)給定的阻斷電壓,寬禁帶設(shè)備可以

7、做成更薄的漂移區(qū)，利用其更大的臨界電場(chǎng)。然而，在低于1200 時(shí)隨著電壓的降低，它是溝道區(qū)電阻將在SiC器件中起主導(dǎo)作用，其中在i/i02界面的載流子遷移率仍然是一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題。高的界面陷阱，通常比在Si/i0接口高23個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致電荷俘獲和增加了通常把反型溝道遷移率降低到約140 m2/Vs的庫(kù)倫散射。后氧化退火的N20和NO，最近達(dá)到12 /V的遷移率。在每一種情況下，似乎是氮和磷等n型摻雜劑,被消極缺陷的氧化物界面，降低界面態(tài)的密度.有限的溝道遷移率在低電壓操作的OFE器件中阻止碳化硅及其材料的限制,由于它們沒(méi)有界面,所以呈現(xiàn)出一些優(yōu)勢(shì)盡管它們也面臨著各自的挑戰(zhàn).在JFET中

8、，非常窄的n型源漏極通道可以被看作是由一個(gè)p型柵包圍，因此電流可通過(guò)表面形成的天然夾斷耗盡區(qū)進(jìn)行控制.這個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的顯著缺點(diǎn)就是,它是一個(gè)常開(kāi)裝置，需在柵極加負(fù)電壓。因此，集成了一個(gè)常開(kāi)JFET成安全關(guān)鍵系統(tǒng).該改變將JFET結(jié)構(gòu)為常開(kāi)器件的修改需要非常窄的低摻雜通道,因此重新引入顯著的通態(tài)損耗。碳化硅雙極型晶體管不遭受與C MFT或JFETs相同的電阻問(wèn)題，因?yàn)樗麄儾灰蕾囉谌魏涡问降臏系馈Ｅc之形成鮮明對(duì)比的硅，碳化硅雙極型器件具有很大的提高增益，并顯示非?？斓拈_(kāi)關(guān)速度。這是由于iC的載流子壽命比較低，由于材料內(nèi)的大量點(diǎn)缺陷的增加了電子 空穴復(fù)合率.載流子壽命長(zhǎng)是一個(gè)折衷的功率器件，并在碳化

9、硅雙極型器件來(lái)說(shuō)最好是缺陷密度減少。這將允許電導(dǎo)調(diào)制漂移區(qū)，用低的導(dǎo)通電阻為非常高的電壓器件SIC單極型器件打開(kāi)門(mén)。所述的碳化硅位的幾個(gè)缺點(diǎn)是,因?yàn)樵撐皇且粋€(gè)電流驅(qū)動(dòng)裝置，額外的功率消耗在驅(qū)動(dòng)電流路徑和控制電路也比在電壓驅(qū)動(dòng)器件如MOSFET的更復(fù)雜.碳化硅在高溫下具有優(yōu)異的憑證,由于這種材料的WG表示的熱水平呈現(xiàn)的Si在200成幾乎變成類似金屬的狀態(tài)，對(duì)碳化硅直到超過(guò)100也不會(huì)發(fā)生。這結(jié)合了極好的熱傳導(dǎo)性，也就是說(shuō),Si器件可以很容易地驅(qū)散電源開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的熱量。阻止使用SiC功率器件在溫度超過(guò)175的S電流限制的最大挑戰(zhàn)是設(shè)備包裝，引線鍵合,設(shè)備安裝和模塊本身都需要相同的溫度額定值。3應(yīng)用

10、SiC材料的第三種用途是用于制造半導(dǎo)體的高純度單晶材料,材料的生長(zhǎng)和器件的制備是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè).與硅（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，Si半導(dǎo)體材料是第三代半導(dǎo)體材料,具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn),如表1所示,可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，因而是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最有前景的材料之一.利用其良好的導(dǎo)熱性，iC器件應(yīng)用在航空、航天探測(cè)、核能開(kāi)發(fā)、衛(wèi)星、石油和地?zé)徙@井勘探、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等需要高溫（35050)的工作環(huán)境中；利用其寬禁帶和高化學(xué)穩(wěn)定性，iC器件被應(yīng)用在抗輻射領(lǐng)域；利用其高電子飽和漂移速度,高頻和

11、微波SiC器件具有不可替代的優(yōu)勢(shì)；利用其具有大的擊穿電場(chǎng),高功率i器件在雷達(dá)、通信和廣播電視領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景.此外，由于iC晶體與氮化鎵(Ga）晶體在晶格和熱膨脹系數(shù)上相匹配，以及其具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率，SiC半導(dǎo)體晶片也成為制造大尺寸、超高亮度白光和藍(lán)光aNLE(ligheitigdo,發(fā)光二極管）和L（lserdiode，激光二極管)的理想襯底材料,成為光電行業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料之一。4.未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)目前曾長(zhǎng)期困擾SiC材料發(fā)展的微孔問(wèn)題已基本解決,SC材料發(fā)展的方向是在不斷降低位錯(cuò)和缺陷密度的同時(shí)盡快生長(zhǎng)出更大尺寸的SiC單晶襯底.這就需要通過(guò)改善單晶生長(zhǎng)設(shè)備并進(jìn)行熱場(chǎng)分析,通過(guò)研究位錯(cuò)和缺陷形成機(jī)理不斷降低SiC材料的位錯(cuò)和缺陷密度，通過(guò)改進(jìn)單晶生長(zhǎng)技術(shù)來(lái)降低成本等.iC器件將大舉進(jìn)入電子電力市場(chǎng)，預(yù)計(jì)到200年，iC功率器件將分別獲得和8的市場(chǎng)份額.未來(lái)電子電子器件市場(chǎng)發(fā)展將更多集中到技術(shù)創(chuàng)新上。5總結(jié)近二十年來(lái)碳化硅材料由于起許多優(yōu)勢(shì)開(kāi)始被重視，由于碳化硅器件設(shè)計(jì)理論有所突破,人們對(duì)高性能的半導(dǎo)體器件的期望越來(lái)越迫切。隨著效率的潛在收益的增加，寬禁帶材料的功率密度使最終溶液減小尺寸和重量，在更高的開(kāi)關(guān)速度。在寬禁帶區(qū)能被普遍接受的觀點(diǎn)是阻斷120以上的電壓碳化硅會(huì)更強(qiáng)，iC會(huì)在效率，溫度和功率密度備受關(guān)注的應(yīng)用中找到自己位置,因此額外成本