SiC材料的特性和应用

谢谢大家！
知识回顾 Knowledge Review
放映结束 感谢各位的批评指导！
谢 谢！
让我们共同进步
SiC材料的特性及应用
颜小琴 2004.11.15
SiC材料的发展史话 SiC材料的特性及应用 SiC材料的制备方法 小结
Silicon Carbide Technology(SiC)
Why a new Technology? Si has served wonderfully well as a
子迁移率较高，更适合于研制微电子器件，但至 今尚无商用的3C-SiC体单晶，另外，SiC体单晶在 高温下(>2200°C)生长，掺杂难于控制，晶体中 存在缺陷，特别是微管道缺陷无法消除，并且SiC 体单晶非常昂贵，于是发展了多种外延SiC的方法。
SiC材料的制备方法
Ⅱ.SiC Thin Film Epitaxy SiC外延的方法主要有：磁控溅射法(sputting)、
SiC材料的发展史话
1955年，Lely发明了一种采用升华法生长出高质量单 晶体的新方法；(转折点)
1978年，俄罗斯科学家Tairov和Tsvetkov发明了改良的 Lely法以获得较大晶体的SiC生长技术；(里程碑)
1979年，成功制造出了SiC蓝色发光二极管；
1981年，Matsunami发明了Si衬底上生长单晶SiC的工 艺技术，并在SiC领域引发了技术的高速发展；
Comparison of Si and SiC devices under similar conditions
SiC器件的应用领域：
异质结双极晶体管中高的注入效率
宽带隙
LED中发射蓝光(商业应用) 激光二极管
抗辐射器件
超低漏电流器件
晶格失配低
Βιβλιοθήκη Baidu
GaN、AlN的最理想的衬底材料
高击穿电场 高的热导率
2SiC+3O2=2SiO2+2CO
SiC材料的特性及应用
Ⅴ. Ohmic Contacts to SiC 在SiC大功率器件中，SiC和金属间的欧姆接触电
阻的大小直接影响到SiC大功率器件性能的优劣，如 果接触电阻太高，器件工作时的压降及功耗增大， 引起器件因发热而温度过高。
SiC材料的特性及应用
Ⅵ.SiC Light Emitting Diodes
根据SiC在低温下可以发射蓝光的性质，已经 成功制作了蓝光发光二极管(LED)。但是，SiC是 间接带隙半导体材料，所制成的LED的发光效率 非常低。
电化学腐蚀处理
SiC
多孔SiC
虽然早在50年代就观察到了SiC材料的电致发 光，并且SiC蓝光发光二极管早已实现了商品化， 但由于SiC材料的生长工艺技术还不够成熟，SiC的 工艺技术，如高质量SiO2的制备、良好的欧姆接触、 图形加工技术等还有待于开发，SiC电子器件研制 尚处于起步阶段。
semiconductor for most applications Si devices fail to operate at high temperatures
of around 300ºC Since Si is a small band gap material,
sufficiently high breakdown voltages cannot be applied
1987年，Cree Research成立，成为了第一个销售SiC单 晶衬底的美国公司。
SiC材料的特性及应用
Ⅰ.SiC for High Power,High Temperature Electronics
SiC与Si和GaAs的有关参数的对比
晶格常数(Å) 熔点(K) 热稳定性 带宽(eV) 最高工作温度(K) 电子迁移率(cm2\V·S) 空穴迁移率(cm2\V·S) 饱和电子速率(107cm\s) 临界电场(106V\cm) 介电常数 热导率(W\cm·K)
起初Acheson错误地认为这种材料是C和Al的化 合物，他的目的是想寻找一种材料能够代替金刚石 和其他研磨材料，用于材料的切割和抛光，他发现 这种单晶材料具有硬度大、熔点高等特性，于1893 年申请了专利，将这种产品称为“Carborundum”。
开辟了SiC材料和器件研究的新纪元，此后，有关 SiC的研究工作全面展开，并且于1958年在Boston召开 了第一届SiC会议。
SiC is superior compared to Si because: It has exceptionally high Breakdown electric
field Wide Band gap Energy High Thermal conductivity High carrier saturated velocity
1885年Acheson(1856－1931)首次生长出了SiC晶体 (Carborundum)；
1905年，法国科学家Moissan(1852－1907)在美国 Arizona的Dablo大峡谷陨石里发现了天然的SiC单晶 (Moissanite)；
1907年，英国电子工程师Round(1881－1966)制造出了 第一只SiC的电致发光二极管；
SiC材料的特性及应用
Ⅱ.Polytypism in SiC
3C-SiC
6H-SiC
4H-SiC
3C-SiC
6H-SiC
SiC材料的特性及应用
Ⅲ.Dopant Considerations 杂质掺入量过大导致了非晶或多晶的形式，深
的杂质能级是不利的，不仅激活温度高，而且也不 利于器件的设计。
但是，Si技术的成功以及迅猛发展，使得人们对 SiC的研究兴趣下降，这一时期的研究工作，即60年代 中期到70年代中期，主要在前苏联进行，在西方一些 国家，SiC的研究工作仅处于维持状态。
SiC材料的发展史话
1824年,瑞典科学家Berzelius(1779－1848)在人工合成金 刚石的过程中就观察到了SiC；
激光烧结法(Laser ablation)、升华法(sublimation epitaxy)、液相外延法(LPE)、化学气相沉积(CVD) 和分子束外延法(MBE)等。
小结
SiC是非常有潜力的材料，它所具有的卓越性 能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导 体器件的优选材料。
目前SiC研究领域也已取得了可喜的成绩，展 现出了美好的应用前景，但仍有一些重大技术难点 有待克服，其中最重要的继续改善晶体生长工艺、 降低成本、提高材料质量、减少缺陷密度和改善上 层掺杂以及获得厚度可控的大面积晶片。
Si 5.43 1420 Good 1.11 600 1500 600 1.0 0.3 11.8 1.5
GaAs 5.65 1235 Fair 1.43 760 8500 400 1.0 0.6 12.5 0.46
3C-SiC 4.3596 >2100 Excellen t2.23 1250 1000 50 2.2 2.0 9.7 4.9
SiC材料常用n型掺杂剂为N(N2,NH3)，p型掺杂 剂为Al，也有用B的，几乎都用生长过程中引入掺 杂剂的原位掺杂方式，个别用离子注入。
SiC材料的特性及应用
Ⅳ.Oxidation of SiC SiC体材料具有很高的抗氧化性，因为在体材
料的氧化过程中会在氧化界面形成SiO2层，从而 阻止了氧化的进行。
SiC’s superior Performance
SiC is especially useful for: High Temperature Environment High Radiation conditions High Voltage switching applications High power Microwave applications
6H-SiC 3.081 15.092 >2100 Excellent 3.02 1580 400 50 2.0 3.2 10 4.9
4H-SiC 3.081 10.061 >2100 Excellent 3.26 1580 1140 50 2.0 3.0 9.6 4.9
SiC的这些性能使其成为高频、大功率、耐高 温、抗辐照的半导体器件的优选材料，用于地面核 反应堆系统的监控、原油勘探、环境检测及航空、 航天、雷达、通讯系统及汽车马达等领域的极端环 境中。
高压大功率开关二极管，可控硅 电力电子器件 IC高密度封装 空间应用的大功率器件
良好散热的大功率器件 高的器件集成度
SiC材料的制备方法
Ⅰ.SiC Substrate Crystal Growth
无论Lely法还是改良的Lely法生长的单晶几乎 都是六方结构的4H、6H-SiC，而立方SiC中载流