一种典型半导体材料—SiC
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尽管SiC器件取得了令人鼓舞的进展，已经有了很多实验室产品，而且部分产 品已经进入了市场，但是目前存在的几个市场和技术挑战限制了其商品化进程 的进一步发展。 挑战： 1.昂贵的SiC单晶材料。 2.单晶材料本身的缺陷，包括微管道、位错等仍会对器件造成影响。 3.SiC器件的可靠性问题。 4.大功率器件的封装问题。
MESFET
PIN
MOSFET JFET
BJT thyristor
4.SiC光电器件的简介
SiC肖特基二极管
3英寸SiC的MESFET基片
SiC二极管与传统Si二极管的比较
5.SiC紫外探测器件的制备
紫外探测的意义：在导弹监控与预警、紫外天文学、火灾探测、生物细 胞癌变检测等方面有着广阔的前景，具有极高的军事和民用价值。 传统的方式--光电倍增管：体积大、易破环、高电压、低温下工作。
2.SiC衬底的制备
物理气相传输法（ PVT，physical vapor transport）又称升华法，又称改良的Lely法， 是制备SiC等高饱和蒸汽压、高熔点半导体材料的有效的方法。 美国Cree公司2019年实 现2英寸6H-SiC单晶的市场化，近两年已实现4英寸6H-SiC单晶的市场化，目前占据全球 市场的85％。
目前已发现200多种结构，属于三个晶系：立方（cubic）、六方 （hexagon）和斜方（rhombus），常见的主要是3C-SiC、 6H-SiC和 4H-SiC。
可热氧化，但氧化速率远低于Si
2.SiC衬底的制备
SiC单晶衬底： 本征型、N型掺杂、P型掺杂。
N型掺杂 ：氮N P型掺杂：铝Al、硼B、铍Be、镓Ga、氧O。
SiC紫外探测器： PN结型 PIN型 异质结型 肖特基势垒型 金属-半导体-金属（MSM）型
6.SiC紫外探测器的制备
实例：SiC肖特基紫外光电探测器件的研制。
器件制备的半导体材料：4H-SiC；衬底： N+型，电阻率0.014Ω*cm，厚度300um； 外延层：N型，掺杂浓度3.3E15/cm3，厚度 10um。
1.SiC材料的简介
随着第一代和第二代半导体材 料发展的成熟，其器件应用也趋 于极限。现代科技越来越多的领 域需要高频率，高功率，耐高温， 化学稳定性好的第三代半导体。 而作为第三代半导体优秀代表的 SiC（silicon carbide），越来 越多得受到人们的关注。
2.SiC材料的简介
唯一的固态的IV-IV化合物 天然的超晶格结构、同质多型体。
高晶格完整性 低表面粗糙度 无损伤
3.SiC外延制备方法
外延：在一定取向的单晶基板上，生长出的晶体 与基板保持一定的晶体学取向关系，这种晶体生长 叫做外延。
同质外延：外延材料与衬底材料为同一种材料。 Si上外延Si 异质外延：外延材料与衬底材料在性质上、结构 上不同。 注意晶格匹配、热膨胀系数匹配。如SiC上外延GaN.
5.SiC光电器件的前景
近年来，Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善，已经接近其材料特性决 定的理论极限，依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。 随着SiC衬底材料和器件制造工艺如：外延、欧姆接触、氧化及刻蚀等技术上 取得的重大进展，SiC在各类新材料中脱颖而出，在整流器、双极晶体管及 MOSFET等多种类型的功率开关器件方面取得来令人瞩目的进展。根据预测， 到2019年SiC器件市场的规模将达到8亿美元。
SHANDONG UNIVERSITY
CHINA
SiC半导体材料
School of information Science & Engineering
目录
1.SiC材料的简介 2.SiC衬底的制备 3.SiC外延制备方法 4.SiC光电器件的简介 5.SiC紫外探测器的制备 6.SiC光电器件的前景
Si源：硅烷（
S iH
）
4
C源：丙烷（ C 3 H 8 ）
N源：氮气（ N 2Leabharlann Baidu）
生长温度：1550摄氏度
压强：1 0 5 P a
流程图如下：
3.SiC外延制备方法
原理图
工艺流程：
Si元素在降温过程中会凝聚 成Si滴。 结论：无明显的微管和孪晶 区，速度5um/h，有很好的 工艺可靠性。
4.SiC光电器件的简介
国内在SiC生长起步较晚，目前主要是山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、中科院 物理所等单位开展SiC单晶生长制备技术研究，山东大学2019年在实验室生长出了3英寸
6H-SiC单晶。
2.SiC衬底的制备
物理气相传输法（PVT）：
核心装置如右图所示：
SiC原料的升华和晶体的再生长在一个封闭的石墨 坩埚内进行，坩埚处于高温非均匀热场中。SiC原料 部分处于高温中，温度大约在2400~2500摄氏度。 碳化硅粉逐渐分解或升华，产生Si和Si的碳化物混 合蒸汽，并在温度梯度的驱使下向粘贴在坩埚低温 区域的籽晶表面输送，使籽晶逐渐生长为晶体。
高击穿电压
高功率器件 高频高温器件 紫外探测器件
高热导率
宽禁带
高电流密度
4.SiC光电器件的简介
一些SiC器件：
半导体 SiC
半绝缘SiC
整流器件
开关器件
Bipolar Schottky Unipolar diodes diodes transistor
Bipolar transistor
RF transistor
3.SiC外延制备方法
SiC的外延方法 LPE（液相外延） VPE（气相外延） MBE（分子束外延） CVD（化学气相沉积法）
3.SiC外延制备方法
实例：CVD法生长N型4H-SiC同质外延
实验采用瑞典Epigress公司的VP580水平式低压热壁CVD系统，生长时衬底气浮 旋转，以达到生长厚度均匀。衬底为山东大学晶体材料国家重点实验室提供的Si 面，偏离（0001）面8°的2英寸n型4H-SiC单晶，载流子浓度约为 1018cm3 。
2.SiC衬底的制备
SiC单晶的加工：
要求：表面超光滑、无缺陷、无损伤。 重要性：直接影响器件的性能。 难度：SiC的莫氏硬度为9.2，难度相当大。
工艺流程： 切割：用金刚线锯。 粗、精研磨：使用不同粗细的碳化硼和金刚石颗粒加 粗磨和精磨。 粗抛光：机械抛光，用微小的金刚石粉粒进行粗抛。 精抛光：化学机械抛光。
MESFET
PIN
MOSFET JFET
BJT thyristor
4.SiC光电器件的简介
SiC肖特基二极管
3英寸SiC的MESFET基片
SiC二极管与传统Si二极管的比较
5.SiC紫外探测器件的制备
紫外探测的意义：在导弹监控与预警、紫外天文学、火灾探测、生物细 胞癌变检测等方面有着广阔的前景，具有极高的军事和民用价值。 传统的方式--光电倍增管：体积大、易破环、高电压、低温下工作。
2.SiC衬底的制备
物理气相传输法（ PVT，physical vapor transport）又称升华法，又称改良的Lely法， 是制备SiC等高饱和蒸汽压、高熔点半导体材料的有效的方法。 美国Cree公司2019年实 现2英寸6H-SiC单晶的市场化，近两年已实现4英寸6H-SiC单晶的市场化，目前占据全球 市场的85％。
目前已发现200多种结构，属于三个晶系：立方（cubic）、六方 （hexagon）和斜方（rhombus），常见的主要是3C-SiC、 6H-SiC和 4H-SiC。
可热氧化，但氧化速率远低于Si
2.SiC衬底的制备
SiC单晶衬底： 本征型、N型掺杂、P型掺杂。
N型掺杂 ：氮N P型掺杂：铝Al、硼B、铍Be、镓Ga、氧O。
SiC紫外探测器： PN结型 PIN型 异质结型 肖特基势垒型 金属-半导体-金属（MSM）型
6.SiC紫外探测器的制备
实例：SiC肖特基紫外光电探测器件的研制。
器件制备的半导体材料：4H-SiC；衬底： N+型，电阻率0.014Ω*cm，厚度300um； 外延层：N型，掺杂浓度3.3E15/cm3，厚度 10um。
1.SiC材料的简介
随着第一代和第二代半导体材 料发展的成熟，其器件应用也趋 于极限。现代科技越来越多的领 域需要高频率，高功率，耐高温， 化学稳定性好的第三代半导体。 而作为第三代半导体优秀代表的 SiC（silicon carbide），越来 越多得受到人们的关注。
2.SiC材料的简介
唯一的固态的IV-IV化合物 天然的超晶格结构、同质多型体。
高晶格完整性 低表面粗糙度 无损伤
3.SiC外延制备方法
外延：在一定取向的单晶基板上，生长出的晶体 与基板保持一定的晶体学取向关系，这种晶体生长 叫做外延。
同质外延：外延材料与衬底材料为同一种材料。 Si上外延Si 异质外延：外延材料与衬底材料在性质上、结构 上不同。 注意晶格匹配、热膨胀系数匹配。如SiC上外延GaN.
5.SiC光电器件的前景
近年来，Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善，已经接近其材料特性决 定的理论极限，依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。 随着SiC衬底材料和器件制造工艺如：外延、欧姆接触、氧化及刻蚀等技术上 取得的重大进展，SiC在各类新材料中脱颖而出，在整流器、双极晶体管及 MOSFET等多种类型的功率开关器件方面取得来令人瞩目的进展。根据预测， 到2019年SiC器件市场的规模将达到8亿美元。
SHANDONG UNIVERSITY
CHINA
SiC半导体材料
School of information Science & Engineering
目录
1.SiC材料的简介 2.SiC衬底的制备 3.SiC外延制备方法 4.SiC光电器件的简介 5.SiC紫外探测器的制备 6.SiC光电器件的前景
Si源：硅烷（
S iH
）
4
C源：丙烷（ C 3 H 8 ）
N源：氮气（ N 2Leabharlann Baidu）
生长温度：1550摄氏度
压强：1 0 5 P a
流程图如下：
3.SiC外延制备方法
原理图
工艺流程：
Si元素在降温过程中会凝聚 成Si滴。 结论：无明显的微管和孪晶 区，速度5um/h，有很好的 工艺可靠性。
4.SiC光电器件的简介
国内在SiC生长起步较晚，目前主要是山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、中科院 物理所等单位开展SiC单晶生长制备技术研究，山东大学2019年在实验室生长出了3英寸
6H-SiC单晶。
2.SiC衬底的制备
物理气相传输法（PVT）：
核心装置如右图所示：
SiC原料的升华和晶体的再生长在一个封闭的石墨 坩埚内进行，坩埚处于高温非均匀热场中。SiC原料 部分处于高温中，温度大约在2400~2500摄氏度。 碳化硅粉逐渐分解或升华，产生Si和Si的碳化物混 合蒸汽，并在温度梯度的驱使下向粘贴在坩埚低温 区域的籽晶表面输送，使籽晶逐渐生长为晶体。
高击穿电压
高功率器件 高频高温器件 紫外探测器件
高热导率
宽禁带
高电流密度
4.SiC光电器件的简介
一些SiC器件：
半导体 SiC
半绝缘SiC
整流器件
开关器件
Bipolar Schottky Unipolar diodes diodes transistor
Bipolar transistor
RF transistor
3.SiC外延制备方法
SiC的外延方法 LPE（液相外延） VPE（气相外延） MBE（分子束外延） CVD（化学气相沉积法）
3.SiC外延制备方法
实例：CVD法生长N型4H-SiC同质外延
实验采用瑞典Epigress公司的VP580水平式低压热壁CVD系统，生长时衬底气浮 旋转，以达到生长厚度均匀。衬底为山东大学晶体材料国家重点实验室提供的Si 面，偏离（0001）面8°的2英寸n型4H-SiC单晶，载流子浓度约为 1018cm3 。
2.SiC衬底的制备
SiC单晶的加工：
要求：表面超光滑、无缺陷、无损伤。 重要性：直接影响器件的性能。 难度：SiC的莫氏硬度为9.2，难度相当大。
工艺流程： 切割：用金刚线锯。 粗、精研磨：使用不同粗细的碳化硼和金刚石颗粒加 粗磨和精磨。 粗抛光：机械抛光，用微小的金刚石粉粒进行粗抛。 精抛光：化学机械抛光。