第三代半导体材料制造工艺.
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3.3 第三代半导体材料（宽禁带半导体材料）
半导体材料的发展 Si为代表的，第一代半导体材料 GaAs为代表的，第二代半导体材料 SiC及GaN为代表的宽禁带材料，第三代半导体材 料。包括材料本身和器件开发，仍在发展中。
随着半导体材料的单晶制备及外延技术的发展和突破， 并基于以下几方面原因，宽带隙半导体材料应运而生。
SiC 块材单晶的制备 ( 相 对 量 非 平 衡 )
( 平 衡 )
T (K) SiC 多型结构与加热温度的关系
SiC 块材单晶的制备 不同于Si材料，SiC材料无法用熔体提拉法进行单晶材料的 制备，主要是因为 在现有的实验条件所能达到的压力条件下，SiC没有熔点， 而只是在1800 oC以上时升华为气态。 在目前实验条件所能达到的温度条件下，C 在 Si 熔体中 的溶解度也非常小。 熔融生长法不能用于 SiC 单晶的生长。
5.5
<10 <2200 <1800 6-20
间接 间接 1350 3900 480 1.3 1 5.43 5.66 1900 0.58
饱和电子漂移速 度(107 cm /s)
晶格常数 (Å)
5.65
3.567
键结合能（eV）
~5
SiC 材料及器件的一些具体应用
高频功率器件：相控阵雷达、通信系统、固相 UHF 广播 系统、高频功率供应、电子干扰(干扰与威胁)和预警系统；
SiC 的结构
四面体单元，每种原子被四个异种原子所包围
原子间通过定向的强四面体 SP3 键结合在一起，并有 一定程度的极化
四面体单元
SP3 杂化轨道
SiC 的结构 Sic 具有很强的离子共价键，离子性对键合的贡献 约占12%,决定了它是一种结合稳定的结构。 SiC 具有很高的德拜温度，达到1200-1430 K,决定 了该材料对于各种外界作用的稳定性，在力学、化学 方面有优越的技术特性。
3.37
直接 5 1200 <200 2.0 2.5 3.189 5.186
6.2
直接 1.2-1.4 300 14 2.85 1.4 3.112 4.982
2.36
间接 1 <800 <320 3.6 2.5 4.3596
3.0
间接 3-5 <400 <90 4.9 2.5 3.0806 15.1173
SiC 块材单晶的制备
1824 年，瑞典科学家J. Jacob Berzelius 在试图制备金刚石时意 外发现了这种新的化合物。
1885 年，Acheson 用电弧熔炼法生长出 SiC, 但用这种方法形成 的SiC质量较差，达不到大规模生产SiC器件所需的SiC单晶的 质量要求。 1955 年菲力浦研究室的 Lely 首先在实验室用升华法制备了杂 质数量和种类可控的、具有足够尺寸的 SiC 单晶。 具体过程：设计一个空腹的圆筒，将具有工业级的 SiC 块放入 碳坩埚中，加热到 2500 oC， SiC 发生明显的分解与升华，产 生 Si 和 SiC 的蒸汽，在高温炉内形成的温度梯度作用下向低 温方向并凝聚在较低温度处，形成 SiC 晶体。此过程是一个 “升华－凝聚”的过程，生长的驱动力是温度梯度。
SiC 的结构
SiC结构示意图 a) 3C-SiC； b) 2H-SiC； c) 4H-SiC；Hale Waihona Puke Baidud) 6H-SiC。
a) ABCABC…, 3C-SiC b) ABAB…, 2H-SiC； c) ABCBABCB…, 4H-SiC d) ABCACB…, 6H-SiC
SiC 优良的物理和化学性能 力学性质: 高硬度(克氏硬度为3000 kg/mm2)，可以切割红宝 石；高耐磨性，仅次于金刚石。 热学性质: 热导率超过金属铜，是 Si 的3倍，是 GaAs 的 810 倍，散热性能好，对于大功率器件非常重要。SiC 的热稳定 性较高，在常压下不可能熔化 SiC。 化学性质: 耐腐蚀性非常强，室温下几乎可以抵抗任何已知 的腐蚀剂。SiC 表面易氧化生成 SiO2 薄层，能防止其进一步 氧化，在高于1700 oC 时，这层 SiO2 熔化并迅速发生氧化反应。 SiC能溶解于熔融的氧化剂物质。 电学性质: 4H-SiC 和 6H-SiC 的带隙约是 Si 的三倍，是 GaAs 的两倍；其击穿电场强度高于 Si 一个数量级，饱和电子 漂移速度是 Si 的2.5倍。4H-SiC 的带隙比 6H-SiC 更宽。
主要半导体材料的基本特性
物理量 Si Ge GaAs GaN AlN 3C-SiC 6H-SiC 金刚石
带隙宽度(eV)
能带类型 击穿场强(MV/cm) 电子迁移率 (cm2/V s) 空穴迁移率 (cm2/V s) 热导率(W/cm K)
1.12
0.3
0.67
0.1
1.43
直接 0.06 8500 400 0.55 2
耐高温、高热导、高耐压特性，发展高温（>300℃）、高 功率和低损耗电子器件。 高亮度发光管，从而使人类可以获得高重复性、长寿命的 全色包括白光光源， 短波长激光器，束斑尺寸小，可实现高密度数据光存储， 以及及紫外探测器。
近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别是 有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功率 等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。于是 人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体材料的 研究，如金刚石、SiC、GaN和AlN 等。这些材料的禁带 宽度在 2 eV 以上，拥有一系列优异的物理和化学性能。
SiC 的结构 SiC 是一种天然超晶格，又是一种典型的同质多型体 Si、C 双原子层堆积序列的差异会导致不同的晶体结构， 从而形成了庞大的SiC同质多型族，目前已知的就有200 多种。 SiC同质多型族中最重要的，也是目前比较成熟的、人 们研究最多的是立方密排的 3C-SiC 和六方密排的 2H、 4H 和 6H-SiC。
大功率器件：用于功率产生系统的功率电子、电涌抑制器、 电动汽车的功率调节、电子调节器（传动装置）、固相电灯 镇流器；
高温器件：喷气发动机传感器、传动装置及控制电子、航 天飞机功率调节电子及传感器、深井钻探用信号发射器、工 业过程测试及控制仪器、无干扰电子点火装置、汽车发动机 传感器；
作为生长 GaN、AlN、金刚石等的衬底。
半导体材料的发展 Si为代表的，第一代半导体材料 GaAs为代表的，第二代半导体材料 SiC及GaN为代表的宽禁带材料，第三代半导体材 料。包括材料本身和器件开发，仍在发展中。
随着半导体材料的单晶制备及外延技术的发展和突破， 并基于以下几方面原因，宽带隙半导体材料应运而生。
SiC 块材单晶的制备 ( 相 对 量 非 平 衡 )
( 平 衡 )
T (K) SiC 多型结构与加热温度的关系
SiC 块材单晶的制备 不同于Si材料，SiC材料无法用熔体提拉法进行单晶材料的 制备，主要是因为 在现有的实验条件所能达到的压力条件下，SiC没有熔点， 而只是在1800 oC以上时升华为气态。 在目前实验条件所能达到的温度条件下，C 在 Si 熔体中 的溶解度也非常小。 熔融生长法不能用于 SiC 单晶的生长。
5.5
<10 <2200 <1800 6-20
间接 间接 1350 3900 480 1.3 1 5.43 5.66 1900 0.58
饱和电子漂移速 度(107 cm /s)
晶格常数 (Å)
5.65
3.567
键结合能（eV）
~5
SiC 材料及器件的一些具体应用
高频功率器件：相控阵雷达、通信系统、固相 UHF 广播 系统、高频功率供应、电子干扰(干扰与威胁)和预警系统；
SiC 的结构
四面体单元，每种原子被四个异种原子所包围
原子间通过定向的强四面体 SP3 键结合在一起，并有 一定程度的极化
四面体单元
SP3 杂化轨道
SiC 的结构 Sic 具有很强的离子共价键，离子性对键合的贡献 约占12%,决定了它是一种结合稳定的结构。 SiC 具有很高的德拜温度，达到1200-1430 K,决定 了该材料对于各种外界作用的稳定性，在力学、化学 方面有优越的技术特性。
3.37
直接 5 1200 <200 2.0 2.5 3.189 5.186
6.2
直接 1.2-1.4 300 14 2.85 1.4 3.112 4.982
2.36
间接 1 <800 <320 3.6 2.5 4.3596
3.0
间接 3-5 <400 <90 4.9 2.5 3.0806 15.1173
SiC 块材单晶的制备
1824 年，瑞典科学家J. Jacob Berzelius 在试图制备金刚石时意 外发现了这种新的化合物。
1885 年，Acheson 用电弧熔炼法生长出 SiC, 但用这种方法形成 的SiC质量较差，达不到大规模生产SiC器件所需的SiC单晶的 质量要求。 1955 年菲力浦研究室的 Lely 首先在实验室用升华法制备了杂 质数量和种类可控的、具有足够尺寸的 SiC 单晶。 具体过程：设计一个空腹的圆筒，将具有工业级的 SiC 块放入 碳坩埚中，加热到 2500 oC， SiC 发生明显的分解与升华，产 生 Si 和 SiC 的蒸汽，在高温炉内形成的温度梯度作用下向低 温方向并凝聚在较低温度处，形成 SiC 晶体。此过程是一个 “升华－凝聚”的过程，生长的驱动力是温度梯度。
SiC 的结构
SiC结构示意图 a) 3C-SiC； b) 2H-SiC； c) 4H-SiC；Hale Waihona Puke Baidud) 6H-SiC。
a) ABCABC…, 3C-SiC b) ABAB…, 2H-SiC； c) ABCBABCB…, 4H-SiC d) ABCACB…, 6H-SiC
SiC 优良的物理和化学性能 力学性质: 高硬度(克氏硬度为3000 kg/mm2)，可以切割红宝 石；高耐磨性，仅次于金刚石。 热学性质: 热导率超过金属铜，是 Si 的3倍，是 GaAs 的 810 倍，散热性能好，对于大功率器件非常重要。SiC 的热稳定 性较高，在常压下不可能熔化 SiC。 化学性质: 耐腐蚀性非常强，室温下几乎可以抵抗任何已知 的腐蚀剂。SiC 表面易氧化生成 SiO2 薄层，能防止其进一步 氧化，在高于1700 oC 时，这层 SiO2 熔化并迅速发生氧化反应。 SiC能溶解于熔融的氧化剂物质。 电学性质: 4H-SiC 和 6H-SiC 的带隙约是 Si 的三倍，是 GaAs 的两倍；其击穿电场强度高于 Si 一个数量级，饱和电子 漂移速度是 Si 的2.5倍。4H-SiC 的带隙比 6H-SiC 更宽。
主要半导体材料的基本特性
物理量 Si Ge GaAs GaN AlN 3C-SiC 6H-SiC 金刚石
带隙宽度(eV)
能带类型 击穿场强(MV/cm) 电子迁移率 (cm2/V s) 空穴迁移率 (cm2/V s) 热导率(W/cm K)
1.12
0.3
0.67
0.1
1.43
直接 0.06 8500 400 0.55 2
耐高温、高热导、高耐压特性，发展高温（>300℃）、高 功率和低损耗电子器件。 高亮度发光管，从而使人类可以获得高重复性、长寿命的 全色包括白光光源， 短波长激光器，束斑尺寸小，可实现高密度数据光存储， 以及及紫外探测器。
近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别是 有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功率 等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。于是 人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体材料的 研究，如金刚石、SiC、GaN和AlN 等。这些材料的禁带 宽度在 2 eV 以上，拥有一系列优异的物理和化学性能。
SiC 的结构 SiC 是一种天然超晶格，又是一种典型的同质多型体 Si、C 双原子层堆积序列的差异会导致不同的晶体结构， 从而形成了庞大的SiC同质多型族，目前已知的就有200 多种。 SiC同质多型族中最重要的，也是目前比较成熟的、人 们研究最多的是立方密排的 3C-SiC 和六方密排的 2H、 4H 和 6H-SiC。
大功率器件：用于功率产生系统的功率电子、电涌抑制器、 电动汽车的功率调节、电子调节器（传动装置）、固相电灯 镇流器；
高温器件：喷气发动机传感器、传动装置及控制电子、航 天飞机功率调节电子及传感器、深井钻探用信号发射器、工 业过程测试及控制仪器、无干扰电子点火装置、汽车发动机 传感器；
作为生长 GaN、AlN、金刚石等的衬底。