宽禁带半导体材料与工艺

宽禁带半导体材料与工艺

1.1 宽禁带半导体的概念和发展

宽禁带半导体（WBS）是自第一代元素半导体材料（Si）和第二代化合物半导体材料（GaAs、GaP、InP等）之后发展起来的第三代半导体材料。这类材料主要包括SiC（碳化硅）、C-BN（立方氮化硼）、GaN（氮化镓、）AlN（氮化铝）、ZnSe（硒化锌）以及金刚石等。

第二代半导体GaAs与Si相比除了禁带宽度增大外，其电子迁移率与电子饱和速度分别是Si的6倍和2倍，因此其器件更适合高频工作。GaAs场效应管器件还具有噪声低、效率高和线性度好的特点但相比第三代半导体GaN和SiC，它的热导率和击穿电场都不高，因此它的功率特性方面的表现不足。为了满足无线通信、雷达等应用对高频率、宽禁带、高效率、大功率器件的需要从二十世纪九十年代初开始，化合物半导体电子器件的研究重心开始转向宽禁带半导体。

我们一般把禁带宽度大于2eV的半导体称为宽禁带半导体。宽禁带半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。

1.2 主要的宽禁带半导体材料

近年来，发展较好的宽禁带半导体材料主要是SiC和GaN，其中SiC的发展更早一些，碳化硅、氮化镓、硅以及砷化镓的一些参数如下图所示：

图1-1 半导体材料的重要参数

如上图所示，SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs，相应的本征载流子浓度小于硅和砷化镓，宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体材料。击穿场强和饱和热导率也远大于硅和砷化镓。

2.1 SiC材料

纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC（称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC 于2100℃以上时转变为α-SiC。

SiC是IV-IV族二元化合物半导体，也是周期表IV族元素中唯一的一种固态化合物。构成元素是Si和C，每种原子被四个异种原子所包围,形成四面体单元(图25a)。原子间通过定向的强四面体SP3键(图25b)结合在一起，并有一定程度的极化。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1200-1430K,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。它的多型结构如图所示：

图2-1 碳化硅的多型结构

碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好。低品级碳化硅（含SiC约85%）是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提

高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。

碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。

2.2 GaN材料

GaN是一种极稳定，坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃。GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个晶胞中有4个原子。因为其硬度高，又可以作为良好的涂层保护材料。

在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中溶解速度又非常缓慢。但是NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，这种方法可以用来检测质量不高的GaN晶体。GaN在HCL或H2气氛高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。GaN基材料是直接跃迁型半导体材料,具有优良的光学性能,可作出高效率的发光器件,GaN基LED的发光波长范围可从紫外到绿色光Ⅲ族氮化物主要包括GaN、ALN、InN、ALInN、GaInN、ALInN和ALGaInN 等，其禁带宽度覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围。GaN是Ⅲ族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的Ⅲ族氮化物材料。GaN的电学性质是决定器件性能的主要因素。目前GaN的电子室温迁移率可以达到900cm²/（V * s）。GaN材料所具有的禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和速度高是制作高温、大功率器件的最佳材料。

氮化物半导体材料存在六方纤锌矿和立方闪锌矿两种不同的晶体结构，如氮化镓的结构下图所示：

图2-2 氮化镓的结构

晶体结构的形成主要由晶体的离子性决定，氮化物的离子性强，所以纤锌

矿是氮化镓的常见结构，闪锌矿结构是亚稳态结构。

GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。目前，随着MBE技术在GaN材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破，成功地生长出了GaN多种异质结构。用GaN 材料制备出了金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）等新型器件。调制掺杂的AlGaN/GaN结构具有高的电子迁移率(2000cm2/v·s)、高的饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数，是制作微波器件的优先材料；GaN较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作。

对于GaN材料，长期以来还有衬底单晶，异质外延缺陷密度相当高等问题还没有解决，但是GaN半导体器件的水平已可实用化。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN 双质结LED，InGaN单量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相继开发成功。InGaN与AlGaP、AlGaAs系红色LED组合形成亮亮度全色显示。这样三原色混成的白色光光源也打开新的应用领域,以高可靠、长寿命LED为特征的时代就会到来。日光灯和电灯泡都将会被LED所替代。LED将成为主导产品，GaN晶体管也将随材料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一代高温度频大功率器件。

3.1 宽禁带半导体的工艺

氧化工艺

SiC的氧化层与硅器件制作中的SiO2具有十分相似的作用，例如氧化层作为工艺过程的掩膜，用作金属-氧化物-半导体（MOS）结构的绝缘层、作为器件表面的电学钝化层等。外延生长前的氧化过程还可以除去SiC衬底上的抛光损伤。由于SiC可以被氧化成SiO2，因此器件制作中可以与成熟的硅器件平面工艺相兼容。实现热氧化不需要特殊的不同于在硅上获得SiO2时所利用的工艺设备，它们的区别仅仅是碳化硅的氧化速度明显减少，采用干氧氧化和湿氧氧化进行热氧化，还可以在N2O中获得SiO2，可使用氮化物或氮氧化物绝缘体应用于高温器件。

热氧化法主要包括干氧氧化和湿氧氧化，干氧氧化：Si+O2→SiO2 ，它的优点是结构致密、干燥、均匀性和重复性好，掩蔽能力强，与光刻胶黏附性好，也是一种理想的钝化膜。高质量SiO2薄膜如MOS栅氧化层一般都采用此法制备。湿氧氧化：氧化剂是通过高纯水（一般被加热到95 0C左右）的氧气，既有氧又有水。氧化速度介于干氧和水汽氧化之间，具体与氧气流量、水汽含量等有关也可用惰性气体（氮气或氩气）携带水汽进行氧化