无机半导体材料碳化硅(SiC)课件.ppt

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1、无机半导体材料碳化硅（SiC）一、概论；二、SiC材料的研究进展；三、SiC的晶体结构、特性；四、SiC的晶体的应用前景；五、SiC薄膜的制备方法：(1)物理气象沉积法；(2)化学气象沉积法.六、Q&A.目录碳化硅被誉为下一代半导体材料，因为其具有众多优异的物理化学特性，被广泛应用于光电器件、高频大功率、高温电子器件。SiC有高的硬度与热稳定性,稳定的结构,大的禁带宽度,高的热导率,优异的电学性能。SiC由Si原子和C原子组成，其晶体结构具有同质多型体的特点，在半导体领域最常见的是具有立方闪锌矿结构的3C-SiC和六方纤锌矿结构的4H-SiC和6H-SiC

2、。21世纪以来以Si为基本材料的微电子机械系统(MEMS)已有长足的发展，随着MEMS应用领域的不断扩展，Si材料本身的性能局限性制约了Si基一、概论MEMS在高温、高频、强辐射及化学腐蚀等极端条件下的应用。因此寻找Si的新型替代材料正日益受到重视。在众多半导体材料中，SiC的机械强度、热学性能、抗腐蚀性、耐磨性等方面具有明显的优势，且与IC工艺兼容，故而在极端条件的MEMS应用中，成为Si的首选替代材料。国际上，SiC的发展至今经历了3个研究时期：第一是采用升华法制备SiC单晶来开发各种器件的时期；第二是SiC的外延生长等基础研究时期；第三是接近于相关领

3、域应用要求的当前研究开发时期。SiC晶体的获得最早是用Acheson工艺将石英砂与C混合放入管式炉中2600℃反应生成，这种方法只能得到尺寸很小的多晶SiC。至1955年，Lely用无籽晶升华法生长出了针状3C-SiC孪晶，由此奠定了SiC的发展基础。二、SiC材料的研究进展20世纪80年代初Tairov等采用改进的升华工艺生长出SiC晶体，SiC作为一种实用半导体开始引起人们的研究兴趣，国际上一些先进国家和研究机构都投入巨资进行SiC研究。20世纪90年代初，CreeResearchInc用改进的Lely法生长6H-SiC晶片并实现商品化，并于1994年

4、制备出4H-SiC晶片。这一突破性进展立即掀起了SiC晶体及相关技术研究的热潮。目前实现商业化的SiC晶片只有4H-SiC和6H-SiC型，且均采用PVD技术，以美国CreeResearchInc为代表。采用此法已逐步提高SiC晶体的质量和直径达7.5cm，目前晶圆直径已超过10cm，最大有用面积达到40mm2，微导管密度已下降到小于0.1/cm2。现今就SiC单晶生长来讲，美国处于领先地位，俄罗斯、日本和欧盟(以瑞典和德国为首)的一些公司或科研机构也在生产SiC晶片，并且已经实现商品化。SiC作为第三代半导体材料的杰出代表，由于其特有的物理化学特性成为制

5、作高频、大功率、高温器件的理想材料。随着SiC体材料的生长和外延技术的成熟，各种SiC器件将会相继出现。目前，SiC器件的研究主要以分立器件为主，仍处于以开发为主、生产为辅的阶段。SiC的基本结构单元是Si-C四面体，属于密堆积结构。由单向堆积方式的不同产生各种不同的晶型，已经发现的同质多型体就有250多种。密堆积有3种不同的位置，记为A，B，C。依赖于堆积顺序，Si-C键表现为立方闪锌矿或六方纤锌矿结构。如堆积顺序为ABCABC，则得到立方闪锌矿结构，记作3c-SiC或p-SiC(c=cubic)。若堆积顺序为ABAB，则得到纯六方结构，记为2H-SiC

6、。其它多型体为以上两种堆积方式的混合。两种最常见的六方晶型是4H和6H。其堆积方式分别为ABCB’ABCB和ABCACB’ABCACB。三、SiC的晶体结构、特性图3-13C-SiC立方闪锌矿结构图3-22H-SiC六方纤锌矿结构图3-3不同多型碳化硅在(1120)面上的堆叠序列不同的SiC多型体在半导体特性方面表现出各自的特性。利用SiC的这一特点可以制作SiC不同多型体间晶格完全匹配的异质复合结构和超晶格，从而获得性能极佳的器件．其中6H-SiC结构最为稳定，适用于制造光电子器件：p-SiC比6H-SiC活泼，其电子迁移率最高，饱和电子漂移速度最快，击

7、穿电场最强，较适宜于制造高温、大功率、高频器件，及其它薄膜材料(如GaN（氮化镓）、金刚石等)的衬底和X射线的掩膜等。而且，β-SiC薄膜能在同属立方晶系的Si衬底上生长，而Si衬底由于其面积大、质量高、价格低，可与Si的平面工艺相兼容，所以后续PECVD制备的SiC薄膜主要是β-SiC薄膜。由于SiC具有上述众多优异的物理化学性质，不仅能够作为一种良好的高温结构材料，也是一种理想的高温半导体材料。近20年，伴随薄膜制备技术的高速发展，SiC薄膜已经被广泛应用于保护涂层、光致发光、场效应晶体管、薄膜发光二极管以及非晶Si太阳能电池的窗口材料等。另外，作为结

8、构材料的SiC薄膜还被认为是核聚变堆中最佳的防护材料，在不锈钢基体