半导体材料论文模板

深圳大学考试答题纸

(以论文、报告等形式考核专用)

二○～二○学年度第学期

课程编号1601810001 课程

名称

半导体材料主讲教师翟剑庞评分

学号2012160228 姓名温志煌

(137237234

43) 专业年级微电子学12级

题目：第三代新型半导体材料——SiC

摘要：随着第一代半导体材料硅的问世，半导体材料发展迅速。紧接着，第二代半导体半导体材料GaAs随之出现，直至今天，以GaN为代表的第三代半导体材料。但是这些这半导体的耐高温、抗辐射以及频率都不能达到元器件的要求，这时一种新型半导体材料——SiC的出现改变了这一局面。

作为一种新型的半导体材料,SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率/高频电子器件最重要的半导体材料。本文主要主要分为碳化硅的历史发展，碳化硅的结构、性质，碳化硅的单晶和薄膜制备以及碳化硅的应用。

关键词: SiC 单晶制备外延生长气相外延（CVD）分子束外延生长

SiC元器件

一、碳化硅（SiC）的历史发展

SiC是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂，1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法，也就是大家常说的艾奇逊炉，一直沿用至今，以碳质材料为炉芯体的电阻炉，通电加热石英SIO2和碳的混合物生成碳化硅。

1907年第一只碳化硅发光二极管诞生，1907年，英国工程师Henry Joseph Round 在尝试用碳化硅矿石制作无线电接收器时（就是我们所知的矿石收音机），意外地发现

导线与矿石的触点处会产生微弱的绿，红或者蓝光，从此发光二极管就此问世了]1[。

1955年，在理论和技术上发生了重大突破，LELY提出生长高品质碳化概念，从此将SIC作为重要的电子材料。1958年在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流，从此SiC在半导体方面上作用更受到关注。1978年六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。

从20世纪90年代起，美国国防部(DOD，department 0f defense)就开始支持SiC功率器件研究，SiC功率器件样品相继问世。1987年以SiC 材料和器件为研究方向Cme 公司由美国国防部资助成立为海军和空军装备作预先研究，从此SiC 材料和电子器件进入飞速发展的新阶段。SiC器件的发展是伴随着SiC单晶衬底材料的发展而进行的。近年来，SiC材料微孔问题已基本解决，单晶材料的尺寸不断增大，主流产品已经从两英寸过渡到三英寸和四英寸片。2010年8月Cree公司展示了其新成果，150 mm (6 英寸)的SiC衬底片，每平方厘米微孔密度小于10个]2[。

二、碳化硅的结构与性质

2.1.SiC的晶体结构与异型体

SiC是第Ⅳ族元素的唯一组合的固态化合物，SiC由C原子和Si原子按1:1的比例组成,组成SiC的基本单元是碳硅四面体,即C (Si)原子占据四面体的中心,Si (C)原子位于四面体的四个顶点(如图1)。其中,C-Si键的长度为1.89A, Si-Si键(C-C键)的长度为3.09 A。 C-Si键通过sp3杂化形成,并有一定程度的极化。其中Si的电负性为1.8, C的电负性为2.6,离子性对键合的贡献为12%,因此C-Si键有很强的离子共价性,相当稳定]3[。

SiC是一种典型的多型结构化合物，迄今为止已发现160余种多型体〔1～4〕.

它的最显著特征为所有的多型体均由相同的Si-C双层堆垛而

成如图2所示,结构之间的差别仅在于沿c轴方向的一维堆垛

顺序不同以及c轴的长短不同，这种现象称之为多型性]4[。

在繁多的SiC多型体中,基本可分为两大类:α-SiC和β-

SiC.β-SiC是唯一的一个具有立方结构的多型体,原胞为闪锌

矿结构,密排面为{111}面,密排方向为〈110〉方向;其它所有图1 .碳化硅的分子结构

结构类型统称为α-SiC,原胞通常采用六角点阵来描述,c轴可

为六次或三次对称轴,晶格常数为a= b= 0.3078nm, c= n×0. 251nm (其中n为单胞内的堆垛层数),密排面为{0001}面,密排方向为〈112-0〉方向.各种多型体间在一定条件下可以发生相变.α-SiC中的6H, 4H, 15R, 21R为最常见类型,尤以6H数量最多.α-SiC 多型体是以上述常见多型体结构为基本结构形成的,其中绝大多数是以6H为基本结构形成的多型体,按照Pandey和Krishna〔3〕的错排基体生长模型,除少数例外,以6H为基本结构形成的多型体的堆垛方式可概括为(3, 3)nX (3, 3)mY,式中X、Y代表(3, 2)、(3,

4)、(3, 5)、(3, 6)、(2)、(4)或(5); n、m为正整数,m可为零. 6H结构中Si,C原子在〔112-0〕方向的投影如图3所示：

图2. 三种常见不同晶型的碳硅双层分子排列图3. 6H-SiC在〔112-0〕上投影

2.2.SiC同质异构结构

由于SIC半导体的不同晶型的禁带宽度差别较大,因而可以用来制作新型的半导体结构—同质异构结构,包括异构结、量子阱和超晶格。

通常提到的p一n结是由导电类型相反的同种半导体材料接触形成的,称为同质结。由两种不同的半导体接触形成的半导体结称为异质结。由于形成异质结的两种半导体的禁带宽度、介电常数、折射率、吸收系数等物理参数不同。形成异质结的关键在于结两侧的半导体材料具有不同的禁带宽度。而如果形成p一n结的半导体是同种材料但不是同一晶体类型,而不同晶型间禁带宽度有差别,也具有异质结的特性和优点,这种p一n结称为异构结。Sic多型的禁带宽度差别很大,因而可以实现这种异构结。

一个良好的异质(构)结要求有小的界面态密度,高的界面态密度会使异质结的电学